Neurofisiologia

Neurofisiologia

Le cellule del sistema nervoso

• Neuroni
• Cellule gliali
• Barriera ematoencefalica

Le cellule nel nostro organismo si generano tutte dalle cellule staminali (stem cells), le quali non hanno ancora una funzione. Le cellule staminali sono tondeggianti, ma quando assumono una funzione, cambiano forma (es. nerve cell: creano delle reti di comunicazione). La diversa morfologia cellulare serve a massimizzare la funzione di quella cellula.

Nel sistema nervoso che cellule sono presenti?

• Neuroni: comunicano elettricamente con le altre cellule e determinano il nostro comportamento (interfaccia con il contesto).
• Cellule gliali (glia): sostengono e nutrono i neuroni, permettendo il loro funzionamento.

Neuroni

Sono composti da un corpo cellulare (soma/pirenoforo), che contiene il nucleo (al cui interno è presente il patrimonio genetico -DNA-).

Approfondimento: Non tutte le cellule hanno il nucleo, es. globuli rossi, cheratinociti.

• I dendriti sono diramazioni la cui funzione è quella di permettere al neurone di ricevere informazioni da altre cellule.
• L’assone è quella protuberanza che permette alla cellula di comunicare con qualcun altro (1 solo assone che può contattare più cellule).
• I neuriti sono prolungamenti delle cellule nervose (dendriti + assone).

Cosa c'è nel Soma?

• Nucleo, al cui interno c’è il DNA e da lì non esce.
• Organelli, per creare nuove molecole (le proteine). I mitocondri servono a dare l’energia per poterlo fare.

NB: Il neurone è delimitato da una membrana (che delimita l’ambiente interno ed esterno). Ha anche ingressi/uscite.

NB: Ci sono diverse forme di cellule nervose (+ o – dendriti a seconda di come si utilizzano).

NB: Le informazioni in ingresso possono anche non passare per i dendriti, ma tramite altri modi di comunicazione.

Membrana cellulare (mosaico fluido)

Regola gli scambi di molecole tra spazio intra- ed extra-cellulare. Rappresenta una barriera al libero movimento di ioni (molecole cariche elettricamente). È formata da molecole (fosfolipidi), composte da 2 porzioni con caratteristiche chimiche diverse (accomunate dalla repulsione per l’acqua): testa (gruppo fosfato -contatto con l’acqua) + coda (acidi grassi -no acqua).

Ci sono proteine che attraversano completamente la membrana (proteine intrinseche) e altre che si affacciano solo su un lato (proteine di superficie). La membrana plasmatica è composta da fosfolipidi, ed è impermeabile alle particelle cariche elettricamente (ioni). Gli ioni sono particelle molto utili per la comunicazione tra cellule; essi possono attraversare la membrana solo tramite appositi canali (esistono canali selettivi per diversi tipi di ioni). Le proteine transmembrana fungono da porta (canali di membrana – proteine intrinseche). Le molecole apolari (es. ormoni steroidei, come il cortisolo o il testosterone) passano liberamente la membrana cellulare.

Come si formano le proteine?

Si parte dal DNA: grazie al quale si ha la capacità di creare proteine per permettere alla cellula attività.

• RNA: molecole con un’informazione specifica del DNA.
• Proteina: insieme di amminoacidi.

Tramite il ribosoma e il tRNA (RNA Transfer) avviene una sintesi proteica. L’RNA viene letto e tradotto dal ribosoma, e il ribosoma, grazie al contenuto dell’RNA, è in grado di creare una proteina specifica. La sintesi proteica avviene nel reticolo endoplasmatico (ribosomi presenti in quello rugoso). L’apparato di Golgi si occupa della selezione delle proteine (le smista dove devono andare).

Molecola ATP (carburante della cellula)

Prodotta dai mitocondri, rilasciata all’interno della cellula e utilizzata per regolare tutti i processi cellulari (es. aprire/chiudere le ‘porte di membrana’).

Citoscheletro

Impalcatura della cellula. Non è statico! Cambia continuamente, dà forma alla cellula e permette il movimento (“Pagato” con l’ATP!) delle proteine all’interno di essa.

• Microtubuli: filamenti di alfa e beta tubulina riuniti in forma tubulare; diametro 20-25mm; proteine associate ai microtubuli (MAP -proteina TAU (Alzheimer)-): mantengono la stabilità. Impalcatura del citoscheletro, meccanismi di trasporto.
• Neurofilamenti: filamenti più abbondanti; fibrille di cito-cheratina avvolte a spirale e intrecciate; diametro 10mm; impalcatura del citoscheletro (placche neurofibrillari -.Alzheimer)
• Microfilamenti: polimeri di molecole globulari di actina avvolti a doppia elica; diametro 3-5nm; impalcatura del citoscheletro, meccanismi di trasporto, variazioni della forma della cellula.

Meccanismi di trasporto

Trasporto assonico dal corpo cellulare al terminale assonico. Vescicole contenenti le proteine {Lento è solo anterogrado}. Sistema di trasporto= proteine dal citoscheletro che indicano la traiettoria + altre proteine (chinesina-senso anterogrado / dineina-senso retrogrado) che si occupano del trasporto delle vescicole con le proteine d’interesse.

Dendriti e spine dendritiche

• Spine: protuberanze che contengono molti neurofilamenti. Aumentano la superficie del dendrite.
• Dendriti: prolungamenti (un po’ contorti) dei neuroni, che servono per captare le informazioni che le altre cellule vogliono comunicare.
• Spine dendritiche: servono al neurone per “sentire” ancora meglio (+ ce ne sono, meglio è).

Classificazione dei neuroni

Numero di prolungamenti

• Bipolare
• Pseudounipolare: trasportano informazioni sensitive. L’assone periferico (esterno al sistema nervoso centrale) capta uno stimolo esterno (informazione sensitiva). L’assone centrale trasmette l’informazione sensitiva alle strutture superiori.
• Multipolare: i più diffusi, hanno varie mansioni.
• Esistono anche unipolari, ma solo in organismi inferiori.

Struttura dei dendriti (come i dendriti emergono dal corpo cellulare)

• Cellula stellata (o granulare): si vede nella corteccia celebrale.
• Cellula piramidale: ha una certa polarità da una parte che si va ad associare via via. Anch’essa si vede nella corteccia celebrale.

Funzione

• Neuroni motori/motoneuroni: la loro attivazione produce la contrazione dei muscoli. Hanno molti dendriti. Si trovano nel sistema nervoso centrale. Vanno a contattare, tramite il loro assone, la fibra muscolare, per determinarne la condizione.
• Neuroni sensitivi (pseudounipolari): trasportano informazioni sensitive dalla periferia ai centri nervosi. Assone periferico, assone centrale. Si trovano nei gangli (sistema nervoso periferico).
• Interneuroni / neuroni di proiezione: sono i più numerosi. Connettono un neurone ad un altro neurone.

Cellule gliali

Funzione fondamentale: Senza di loro moriremmo. Sono diverse, a seconda della funzionalità nel nostro corpo:

• Astrociti: ricordano una stella con espansioni pedicellari -pedicelli, in contatto con neuroni (funzione nutritiva) e capillari sanguigni (formazione barriera emato-encefalica). Sono i più numerosi. Servono a garantire il nutrimento dei neuroni. Il sistema glinfatico depura il nostro sistema nervoso (evita l’accumulo di sostanze dannose -è più attivo nel sonno-). Funzione nutritiva e di sostegno, controllano la crescita e la maturazione dei neuroni, controllano la concentrazione di ioni e neurotrasmettitori, partecipano alla formazione della barriera emato-encefalica, partecipano a processi di riparazione dopo lesioni, sistema glinfatico.
• Oligodendrociti: sono nel sistema nervoso centrale e nel midollo spinale. Formano la guaina mielinica (-sclerosi multipla-) intorno agli assoni dei neuroni, permettendo una maggiore velocità di conduzione (trasmissione del segnale elettrico molto più rapida). Ogni oligodendrocita (SNC) si avvolge intorno a numerosi assoni(15). Cellule di Schwann: svolgono la stessa funzione degli oligodendrociti ma nel sistema nervoso periferico. Ogni cellula di Schwann(SNP) si avvolge intorno ad un unico assone.
• Cellule microgliali: provengono dal sistema immunitario (difendono il nostro sistema nervoso).

Barriera emato-encefalica

• Barriera fisica tra sangue e tessuto nervoso.
• Mantiene costante la concentrazione di elettroliti e nutrienti nel liquido extracellulare.
• Protegge il cervello da sostanze tossiche.
• Impedisce la diffusione di neurotrasmettitori dal tessuto nervoso alla periferia e viceversa.

Esistono solo 2 vie per raggiungere il cervello:

• Diffusione semplice (molecole liposolubili o a basso peso molecolare).
• Trasportatori specifici di membrana (proteine e glucosio).

Il trasporto del glucosio non dipende dall’insulina ma dai trasportatori endoteliali (GLUT-1) e nervosi (GLUT-3).

Elettrofisiologia

Potenziale di membrana

La membrana cellulare è un doppio strato fosfolipidico con proteine intrinseche ed estrinseche. Le proteine si possono classificare in:

• Canali ionici: mettono in comunicazione l’ambiente intra-ed extra-cellulare. Sono selettivi per tipologia di ioni. Possono essere sempre aperti (canali passivi lo ione associato a quel canale è libero di muoversi) oppure aprirsi a seguito di uno specifico stimolo (canali attivi possono cambiare la loro conformazione, regolando il passaggio di ioni in maniera raffinata: sono i canali a decidere se far passare gli ioni oppure no, tramite 3 meccanismi -figura-).
• Recettori: alcuni recettori sono in realtà dei canali (di membrana/proteine transmembrana) ionici che si aprono a seguito del legame con una specifica molecola (ligando). Sono selettivi per tipologia di ioni. Ci sono 2 categorie: Recettori ionotropi e recettori metabotropi.
• Carrier: proteine intrinseche di membrana (funzione simile al canale ionico). Sono utili per determinare la polarizzazione della membrana.

Potenziale di membrana a riposo

La membrana plasmatica è composta da fosfolipidi, ed è impermeabile alle particelle cariche elettricamente (ioni). La membrana plasmatica funge da isolante, in quanto isola due ambienti (gli ioni sono filtrati dalla membrana). Gli ioni possono attraversare la membrana solo tramite appositi canali. Esistono canali selettivi per i diversi tipi di ioni. Gli ioni attraversano canali passivi e si distribuiscono in maniera asimmetrica all’interno e all’esterno del neurone (diffusione semplice). La distribuzione asimmetrica degli ioni nella cellula rende la membrana “polarizzata”. La polarizzazione della membrana viene chiamata: potenziale di membrana a riposo.

Ioni

Particelle cariche elettricamente:

• Cationi: ioni carichi positivamente
  • K⁺ (potassio)
  • Na⁺ (sodio)
  • Ca⁺⁺ (calcio)
  • H⁺ (idrogeno)
• Anioni: ioni carichi negativamente
  • Cl^- (cloro)
  • Anioni proteici, A-

La membrana cellulare isola le cariche elettriche. In prossimità della membrana plasmatica c’è una eccedenza di cariche negative all’interno della cellula e di cariche positive all’esterno. La membrana plasmatica è polarizzata.

Comprendere come le cellule nervose comunicano tra loro

La cellula ha dentro le proteine cariche negativamente, mentre all’esterno è carica positivamente. Le molecole all’interno di un liquido (per diffusione) si distribuiscono omogeneamente all’interno del liquido stesso.

Potenziale di membrana (Vm)

Differenza di potenziale elettrico tra l’interno (Vi) e l’esterno (Ve) della cellula. Potenziale elettrico: forza con cui una carica elettrica viene attratta o respinta quando è posta in un campo elettrico (generato dall’accumulo di cariche). L’unità di misura è il Volt (V): 1 V = 1000 milliV (mV). Il valore del potenziale di membrana (Vm) è proporzionale al numero delle cariche (interne ed esterne) distribuite in maniera asimmetrica ai due lati della membrana cellulare. Un eccesso di cariche negative sulla superficie interna produce un Vm negativo. Un eccesso di cariche positive sulla superficie interna della membrana produce un Vm positivo. Il voltaggio di una cellula in vari momenti (es. riposo, mentre comunica…) non è sempre uguale, cambia a seconda della distribuzione (è legato al flusso degli ioni). Il potenziale di membrana a riposo è negativo.

Quali cellule comunicano elettricamente?

Solo le cellule nervose e le cellule muscolari (tra cui le cardiache). Nelle cellule eccitabili (nervose, muscolari, cardiache) il Vm può variare nel tempo (segnali elettrici).

Potenziale di membrana a riposo (Vr)

Potenziale di membrana presente quando la cellula non è eccitata. Vr= -70 mV. Il potenziale di membrana a riposo nei neuroni è di solito -70 mV. Ci interessa l’interno della cellula perché cambia le sue condizioni.

• Iperpolarizzazione: aumento delle cariche negative all’interno della membrana (Vm più negativo di Vr).
• Depolarizzazione: diminuzione delle cariche negative all’interno della membrana (Vm meno negativo Vr). (Si va verso valori positivi, si riduce la differenza di cariche ai due lati).

Nelle nostre cellule ci sono tanti canali passivi per il potassio e ce ne sono di attivi (chiusi) per il sodio. Ai canali non interessa la carica (+ o -) MA gli interessa chi sei (Potassio/Sodio/ecc. ecc.). Le cariche positive e negative si avvicinano alla membrana perché si attraggono tra loro. Cellula = banana (Proteine + Potassio) triste (negativa) in mezzo al mare (salato). Il potenziale di membrana a riposo è determinato dalla presenza di canali ionici passivi. I canali ionici permettono il passaggio selettivo di ioni attraverso la membrana. Gli ioni si muovono con energia cinetica proporzionale alla loro concentrazione, spinti da forze diverse (la volontà di muoversi della molecola dipende da due forze):

• Forza motrice chimica: (tutte le molecole ne sono soggette) le molecole si spostano da dove sono più concentrate a dove sono meno concentrate (gradiente di concentrazione). Evitano gli assembramenti, distribuzione omogenea.
• Forza motrice elettrica: gli ioni si spostano tra due punti spinti dalla differenza di potenziale elettrico (cariche dello stesso segno si respingono, cariche di segno opposto si attraggono).

Fenomeno di diffusione

Il movimento degli ioni è determinato da 2 forze: il movimento spontaneo/naturale delle molecole viene definito come diffusione semplice (come si muovono se possono -la membrana ostacola questa diffusione semplice). Flusso di ioni determinato dal gradiente di concentrazione. Es. zolletta di zucchero nell’acqua (si scioglie) riempie tutto lo spazio disponibile. Flusso di ioni determinato dal potenziale elettrico.

Cosa succede se in una membrana ci sono solo canali selettivamente permeabili al potassio (più concentrato all’interno della cellula)?

Potassio⁺: se apriamo la porta vuole uscire (f. chimica), ma ripensa a stare dentro (f. elettrica). Gli ioni potassio escono fino a quando il gradiente di concentrazione che li spinge fuori non è uguale alla forza elettrica che li trattiene all’interno della cellula. Questo valore di potenziale di membrana (Vm) è detto: potenziale di equilibrio per il potassio Ek. La forza chimica è più forte dell’elettrica, finché non si abbassa la differenza di potenziale (situazione di equilibrio). Potenziale di equilibrio: misurabile con gli elettrodi.

Potenziale di equilibrio (E)

Valore del potenziale di membrana (Vm) in cui la forza motrice chimica (gradiente di concentrazione) che spinge uno ione in una direzione è esattamente controbilanciata dalla forza motrice elettrica che lo spinge nell’altra direzione: il flusso è nullo. Nessuno è in equilibrio quando la cellula è a riposo. Il potenziale di equilibrio può essere calcolato tramite l’equazione di Nernst: Potenziale di equilibrio per il K⁺: Ek= -90 mV. Valore del potenziale di membrana delle cellule selettivamente permeabili al potassio (come le cellule gliali).

Cosa succede se in una membrana ci sono solo canali selettivamente permeabili al sodio (più concentrato all’esterno della cellula)?

Le due forze sono sincrone, si aiutano tra di loro. Velocità con cui il sodio riempie la cellula (non è eterno, raggiunge un punto di equilibrio). Gli ioni sodio entrano fino a quando il gradiente di concentrazione che li spinge all’interno non è uguale alla forza elettrica che li trattiene fuori dalla cellula. L’ingresso di ioni sodio continua fino a quando l’interno della cellula diventa positivo. Questo valore di Vm è detto: potenziale di equilibrio per il sodio ENa. Valore del potenziale di membrana che avrebbe una cellula con una membrana selettivamente permeabile al sodio.

• Il potassio K⁺ tende ad uscire dalla cellula, trasportando cariche positive, fino a quando Vm non arriva a -90 mV. Potenziale di equilibrio per il K⁺ = Ek= -90 mV.
• Il sodio Na⁺ tende ad entrare nella cellula, trasportando cariche positive, fino a quando Vm non arriva a +55 mV. Potenziale di equilibrio per il Na⁺ = ENa= +55 mV.