Riassunto esame Neuroscienze, Prof. Celeghin Alessia, libro consigliato Neuroscienze: esplorando il cervello, Bear

Lezioni di neuroscienze

Lezione 1 - Origini, neuroni e cellule gliali

Sistema nervoso centrale

• Mette in relazione l’ambiente interno con l’ambiente esterno.
• Permette di percepire il mondo che ci circonda.
• Apprende e memorizza nuove informazioni.
• Riceve stimoli ed elabora risposte.
• Elabora processi mentali complessi: linguaggio, memoria operativa (working memory), pensiero, emozioni.

È formato da encefalo (cervello, cervelletto, tronco dell’encefalo) e midollo. Permette l’esistenza di una correlazione tra funzione e struttura: le differenze nell’aspetto derivano dalla diversità delle caratteristiche funzionali. Si può chiamare anche nevrasse.

Origini

Che cosa hanno pensato gli scienziati del cervello nelle varie epoche?

• 7000 anni fa (preistoria): tecnica della trapanazione, pratica di fori nel cranio umano per curare disturbi mentali o mal di testa.
• Egizi (500 mila anni fa): la parola cervello compare per la prima volta (6 volte) in un papiro egizio, il papiro di Edwin Smith. Nonostante per loro l’organo centrale fosse il cuore, avevano riconosciuto che aveva importanza anche il cervello. Ma il cuore rimane fino a Ippocrate la sede della coscienza e del pensiero: agli uomini morti si rimuoveva il cervello dalle narici per essere buttato via.
• Greci (IV secolo a.C.): si cominciò a pensare che il cervello fosse l’organo della percezione.
  • Ippocrate: padre della medicina occidentale: cervello = sede dell’intelligenza (e coinvolto nella sensazione).
  • Aristotele: cuore = sede dell’intelletto. Cervello = radiatore per il raffreddamento del sangue scaldato dal cuore in ebollizione, quindi gli esseri umani sono più razionali degli animali perché con un cervello più efficiente nel raffreddare il sangue.
• Romani Galeno:
  • Chi era? Un medico dei gladiatori: aveva osservato lesioni spinali e cerebrali; dissezionava i cervelli degli animali.
  • Che teorie aveva? Aveva capito che c’era una differenza tra struttura di encefalo e cervelletto, deducendone quindi la loro funzione in base alla posizione:
    • Cervelletto: rigido, quindi controlla i muscoli.
    • Encefalo: morbido, quindi controlla le sensazioni perché riescono a rimanere impresse nel cervello.
  • Aveva osservato anche che il cervello è cavo. Spazi vuoti = ventricoli. Internamente c’è un fluido che viene spostato nel corpo per poter attuare i diversi comportamenti. Teoria in accordo con quella che circolava: nel corpo scorrono gli umori (fluidi vitali), che si spostavano da un ventricolo all’altro attraverso i nervi (considerati tubi cavi). Il bilanciamento degli umori permette il corretto funzionamento del corpo.
• Dal Rinascimento al diciannovesimo secolo:
  • Cartesio (1596-1650): convinzione che gli uomini possedessero un intelletto e un’anima donati da Dio, quindi:
    • Il cervello controlla solo i meccanismi del comportamento più simili a quelli animali.
    • La mente è un’entità spirituale al controllo delle capacità unicamente umane, come le sensazioni, ed è capace di comunicare con il cervello attraverso l’epifisi (ghiandola pineale).
  • Altri scienziati si staccarono dalla visione di Galeno:
    • Cervello composto da:
      • Sostanza grigia: contenitore di informazioni.
      • Sostanza bianca: contenitore di fibre per il trasporto delle informazioni alla sostanza grigia.
    • Dissezione completa del sistema nervoso, formato da:
      • Sistema nervoso centrale: cervello e midollo spinale.
        • Sulla superficie del cervello ci sono protuberanze (giri) e avvallamenti (solchi e scissure), alla base della ripartizione del cervello in lobi.
      • Sistema nervoso periferico: nervi.

Concezione del cervello nel diciannovesimo secolo

• Lesioni al cervello possono modificare le sensazioni, i movimenti, il pensiero e portare alla morte.
• Il cervello comunica con il corpo attraverso i nervi.
• Il cervello è formato da parti identificabili con funzioni specifiche.
• Il cervello opera come una macchina secondo le leggi della natura.
• Luigi Galvani ed Emilio du Bois-Reymond: i muscoli possono contrarsi involontariamente quando i nervi ricevono segnali elettrici, i quali possono essere generati dal cervello: nervi come fili che conducono segnali elettrici da e al cervello. I nervi sono costituiti da fibre nervose: filamenti sottili in grado di direzionare le diverse informazioni.
• Franz Joseph Gall (1809): frenologia: teoria localizzazionista che afferma:
  • Ogni comportamento si emana dal cervello: visione centralistica del cervello (abbandona l’idea che il cuore fosse al centro).
  • Ogni regione del cervello ha funzioni specifiche, quindi il cervello non è più una massa, ma una struttura specializzata.
  • Il cervello è costituito da almeno 35 organi a cui corrisponde una funzione mentale specifica.
    • Più i centri del cervello vengono usati, più diventano grandi (come i muscoli con l’esercizio).
    • L'espansione delle zone determina la comparsa di solchi sulla superficie del cranio, dal cui esame è possibile determinare il carattere dell’individuo; quindi, la propensione per determinati tratti della personalità dipende dalle dimensioni della testa.
• Marie-Jean-Pierre Flourens: oppositore agguerrito della frenologia (considerava Gall un folle).
  • Attraverso il metodo di ablazione sperimentale (distruzione di parti del cervello per determinarne la funzione), dimostrò che il cervelletto coordina il movimento e che è al centro delle sensazioni e delle percezioni.
  • Teoria dei campi celebrali associati (1823): l'attività di più regioni in contemporanea determina uno specifico comportamento. Tutte le regioni del cervello partecipano equamente a tutte le funzioni celebrali. Le varie regioni del cervello sono collegate tra loro tramite i neuroni.
  • Teoria confutata da Broca che dimostrò che il lobo frontale sinistro è responsabile del linguaggio: il suo paziente comprendeva il linguaggio ma non riusciva a parlare.
• Charles Darwin On the Origins of species (1859):
  • Le diverse specie si sono evolute da un antenato comune attraverso il processo di selezione naturale.
  • Risultato: i tratti fisici della prole risultano differenti da quelli dei genitori come conseguenza dell’adattamento all’ambiente in cui la specie vive. Questo processo ha portato alla delineazione delle caratteristiche delle specie attuali.
  • Inoltre: il comportamento è parte delle caratteristiche ereditabili, quindi un determinato tratto comportamentale è derivante da un antenato comune. Perciò, è possibile compiere esperimenti sugli animali (come ratti e scimmie), riscontrando la risposta a uno stimolo simile o uguale a quella umana.
  • Altri tratti comportamentali sono specifici per l’ambiente in cui si sviluppa la specie, le funzioni e le modificazioni della struttura del cervello, infatti, riflettono l’adattamento della specie. Quindi è stato possibile agli scienziati capire quale area del cervello è specializzata per funzioni comportamentali differenti.

Neurone

È l’unità funzionale fondamentale del cervello. Neuroni: cellule nervose responsabili delle parti più importanti del cervello. Rilevano i cambiamenti dell’ambiente, li comunicano ad altri neuroni e comandano le risposte del corpo alle sensazioni (0,01 – 0,05 mm).

Sviluppo dello studio dei neuroni

Microtomo: strumento che serve per fissare e indurire il tessuto cerebrale, senza modificarne la struttura. È necessario perché permette di ottenere delle fettine sottili di tessuto, così che si possano studiare al microscopio.

Istologia: studio tramite microscopia della struttura dei tessuti.

Lo zoologo Schwann enuncia la teoria cellulare: tutti i tessuti sono costituiti da unità microscopiche chiamate cellule. Svolta permessa grazie allo sviluppo di tinture che coloravano selettivamente alcune parti delle cellule del tessuto cerebrale, in particolare il colorante di Nissl:

• Permette la distinzione dei neuroni dalle cellule gliali.
• Permette lo studio della citoarchitettura: disposizione dei neuroni in diverse parti del cervello. Ha contribuito nella comprensione della divisione del cervello in regioni specializzate.

Tecnica di Nissl (fine diciannovesimo secolo): un colorante basico può mettere in evidenza il nucleo di tutte le cellule e dei gruppi di materiale che circondano il nucleo.

• Viene scoperto che i neuroni sono l’unità funzionale del sistema nervoso e come si dispongono all’interno del tessuto nervoso.
• Limiti: permette di vedere solo i corpi di Nissl, cioè i corpi cellulari, quelli colorati, quindi semplicemente una massa uniforme di protoplasma contenente il nucleo, non i neuriti.

Tecnica della colorazione di Golgi (o impregnazione cromoargentica):

• 1873, di Camillo Golgi
• Impregnando una porzione di tessuto cerebrale con il cromato d’argento (colorante di Golgi), è possibile notare che una piccola percentuale di neuroni diventa più scura rispetto alla totalità. Per farlo, fa legare delle proteine (contenute all’interno del neurone) all’argento, le quali si legano al cromato, permettendo, calcificandosi, la visualizzazione delle ramificazioni dei neuroni, distinguendo tra assoni e dendriti.
• Scopre che il corpo cellulare (corpo di Nissl), non è che una piccola frazione della struttura totale del neurone. Un neurone è infatti costituito da:
  • Corpo cellulare o soma o pericario: regione centrale contiene il nucleo
  • Neuriti: tubicini che si irradiano dalla regione centrale e divisi in:
    • Dendriti: si estendono a partire dal soma e si assottigliano fino a un punto finale, lunghi 2 mm. Gestiscono gli input (messaggi in arrivo).
    • Assoni: uno per neurone di lunghezza un metro o più, con rami che si estendono ad angolo retto. Trasportano i messaggi dei neuroni in uscita.
• Golgi sostiene la teoria reticolare del sistema nervoso centrale: neuriti di diverse cellule nervose comunicano tra di loro per continuità: sono uniti insieme tramite sincizi citoplasmatici per costituire un reticolo continuo (come quello arterioso e venoso). Il citosol è quindi condiviso tra tutti i neuroni e il cervello è un’eccezione alla teoria della cellula perché questa non sarebbe, in contrasto, l’unità funzionale elementare di tutti i tessuti animali.

Teoria del singolo neurone (Cajal e Sherington)

Neuriti di neuroni differenti comunicano tra di loro per contatto, non sono quindi connessi in maniera continua.

Struttura della cellula nervosa (neurone)

L’interno e l’esterno del neurone sono separati dalla membrana neuronale: barriera che contiene il citoplasma all’interno del neurone e che esclude le sostanze che galleggiano nel fluido extracellulare. È formata da proteine che pompano le sostanze dall’interno all’esterno, oppure formano dei pori (canali), che permettono il passaggio di determinate sostanze. La composizione proteica della membrana varia tra soma, dendriti e assone. La membrana è fondamentale perché permette ai neuroni di trasferire i segnali elettrici attraverso il cervello e il corpo e funge da filtro, permettendo il passaggio delle molecole in base a:

• Carica elettrica:
  • Le molecole cariche elettricamente non entrano perché vengono respinte dalla parte lipidica della membrana (es: ioni).
  • Le sostanze neutre passano (es: O, CO₂).
• Dimensione:
  • Le molecole neutre piccole riescono a passare (es. H₂O).
  • Le molecole grandi fanno molta più difficoltà (es: glucosio).

Le sostanze cariche elettricamente e quelle grandi riescono a entrare comunque nella cellula grazie a strutture proteiche che attraversano tutta la membrana. All’interno della cellula si trova il citosol: soluzione salina ricca di potassio. Tutto ciò che è contenuto entro i confini della membrana cellulare, escluso il nucleo, è chiamato citoplasma.

Neurone, costituito da:

• Soma (corpo cellulare): parte centrale di 20 µm di diametro, contiene gli organuli:
  • Membrana nucleare: isola il nucleo dal citoplasma. Il nucleo però non è completamente isolato perché presenta dei pori, che mettono in comunicazione ambiente interno ed esterno.
  • Nucleo: sferico e centrale, contenuto all’interno della membrana nucleare e contiene i cromosomi, che a loro volta contengono il materiale genetico, il DNA attorcigliato (acido desossiribonucleico). Il DNA di un neurone contiene i geni: unità fondamentali ereditarie.
    • Espressione genica: lettura del DNA che porta alla sintesi delle proteine, che conferiscono ai neuroni le loro caratteristiche. La sintesi proteica avviene nel citoplasma. Il passaggio del messaggio genetico dal nucleo al citoplasma è compiuto dall’mRNA (RNA messaggero). La trascrizione è il processo di assemblaggio di un segmento di RNA che contiene un’informazione genetica, da cui deriva l’RNA trascritto. L’mRNA esce dai pori della membrana nucleare e entra nel citosol, poi si localizza nel reticolo endoplasmatico rugoso. Qui avviene la traduzione del messaggio in amminoacidi. Gli amminoacidi vengono attaccati l’uno all’altro formando le proteine. Le proteine possono formare delle alfa-eliche o altre strutture che permettono di far comunicare l’interno della cellula con l’esterno (canali).
    • Promotore: regione specializzata di ogni gene situata a una delle due estremità, dove si lega l’enzima RNA polimerasi che fa iniziare la trascrizione. Il processo di legame è regolato da proteine chiamate fattori di trascrizione.
    • L’RNA polimerasi si ferma quando raggiunge il terminante (sequenza stop), situata all’altra estremità del gene.
    • Sequenze del DNA: codificanti (introni), non codificanti (esoni). Con lo splicing (taglio e ricucitura dell’RNA), gli introni vengono rimossi. Lo splicing porta alla variabilità degli mRNA e delle proteine perché può avvenire in modi diversi.
  • Reticolo endoplasmatico rugoso (RER): pezzi di membrane impilate (quello che era il corpo di Nissl), che permettono la traduzione e la produzione delle proteine. Attaccati a esso ci sono gran parte dei ribosomi: dense strutture globulari del citoplasma dentro cui avviene la sintesi proteica. Se appaiono attaccati come un filo sono chiamati poliribosomi. I ribosomi galleggianti invece, sono definiti liberi.
  • Reticolo endoplasmatico liscio (REL): eterogeneo, cattura il calcio per ridurne la concentrazione nel citoplasma (principalmente questo tipo è presente nelle cellule del muscolo ed è definito reticolo sarcoplasmatico); lavora per dare la tipica struttura tridimensionale alle proteine e regola la presenza di ioni nella cellula.
  • Apparato di Golgi: gruppo di dischi di membrane lontane dal nucleo. Sceglie e incapsula le proteine, che poi diventeranno neurotrasmettitori, fondamentali per la comunicazione neuronale. Così che poi vengano spostate verso la periferia del neurone. È infatti in stretto contatto con il RER.
  • Mitocondri: formati da creste (ripiegature) e matrici (spazi tra le ripiegature). Sono fondamentali per la respirazione cellulare perché generano l’energia per la sopravvivenza della cellula attraverso il ciclo di Krebs: assorbono una molecola di acido piruvico e la trasformano in 17 molecole di ATP (energia che alimenta gran parte delle reazioni biochimiche neuronali).
  • Citoscheletro: struttura che dà la forma alle cellule ricoprendo tutti gli organuli ed è sempre in movimento. L’Alzheimer è caratterizzato da danni nel citoscheletro, che inizia ad aggregarsi in placche. È sul citoscheletro che scorrono i neurotrasmettitori per arrivare alla periferia. Costituito da strutture proteiche quali:
    • Microtubuli: si distribuiscono in direzione dei neuriti e appaiono come tubi vuoti circondati da una parete spessa formata dai polimeri (cavi), a loro volta formati da tubulina. Il processo di unione della tubulina per formare i polimeri è chiamato polimerizzazione. Si organizzano come reti longitudinali, costituendo l’impalcatura della cellula.
    • Neurofilamenti: nelle altre cellule del corpo si chiamano filamenti intermedi. Sono costituiti da subunità di molecole proteiche che li rendono molto solidi meccanicamente.
    • Microfilamenti: costituiti dai polimeri dell’actina. L’actina determina la contrazione del muscolo in cui viaggiano le molecole per arrivare alla periferia.
• Assone: struttura specializzata per il trasporto de...