Sistema nervoso

Secondo semestre - fisiologia d'organo

La fisiologia d'organo si occupa di studiare la fisiologia di ciascun organo, ma tutti gli organi lavorano insieme per poter far fronte a tutte le funzioni dell’organismo. Il sistema nervoso centrale (SNC) interviene sempre per dare una modulazione alle funzioni dei singoli organi.

Sistema nervoso

Il sistema nervoso (SN) nella sua complessità è l’organo che, insieme al sistema endocrino (SE), assicura la comunicazione tra le varie parti del nostro organismo. SN e SE prendono stretto contatto a livello ipotalamico-ipofisario.

Ruolo del sistema nervoso

La funzione del SN è fondamentalmente quella di recepire tutte le informazioni che provengono dall’esterno, ma anche dagli organi interni e convogliarle, grazie a un particolare sistema di trasferimento, all’encefalo. L'encefalo, grazie alla sua organizzazione e alla presenza dei neuroni, elabora tali informazioni sensoriali e le confronta con il magazzino di informazioni già presente all’interno dei circuiti neurali. Sulla base di queste informazioni decide poi il comportamento che deve attuare, che può essere più o meno complesso.

L’atto finale dell’elaborazione è l’attivazione di organi effettori (organi, muscoli o ghiandole) in modo tale che, funzionando all’unisono, danno origine a quello che noi chiamiamo comportamento. Il flusso di informazioni è organizzato e direzionale; tale direzionalità è data dalla struttura base dei neuroni poiché si ha:

• Polo da cui le informazioni entrano.
• Polo a livello del quale le informazioni sono elaborate.
• Polo da cui le informazioni escono.

Normalmente le informazioni sensoriali, o input sensoriali, sono informazioni che dalla periferia arrivano al SNC dove devono essere elaborate. Queste danno origine al sistema afferente. Quindi, a livello centrale le informazioni sono elaborate e analizzate e l’atto finale definisce i comandi motori che vengono convogliati nuovamente alla periferia (organi effettori) dal SNC. Queste informazioni danno origine al sistema efferente.

Struttura del sistema nervoso

Il SN, dal punto di vista anatomico, è organizzato in due strutture:

• Sistema nervoso centrale (SNC): encefalo + midollo spinale. Zona in cui le informazioni sono analizzate, coordinate ed elaborate per dare origine ai comportamenti finali. È la regione più peculiare della specie umana, soprattutto per l’encefalo.
• Sistema nervoso periferico (SNP): insieme di nervi, gangli e recettori/organi di senso. È una rete intricata attraverso la quale il SNC si mette in comunicazione con la periferia. Lungo il SNP le informazioni sono limitate perché esso ha un ruolo di continua comunicazione; tutte le informazioni devono essere sempre convogliate in segnali elettrici che viaggiano in linee parallele che sono i fasci degli assoni che vanno a formare i nervi. Tale rete è fondamentale perché i segnali elettrici viaggiano solo se c’è una continuità cellulare e tale continuità è rappresentata proprio dai nervi.

Organizzazione funzionale

Il SN è il centro di integrazione che elabora le informazioni complesse. Riceve le informazioni sensoriali tramite le vie afferenti e tali informazioni derivano da recettori situati all’interno del corpo e sulla superficie corporea e danno origine a:

• Sensibilità specifica.
• Sensibilità somatica: convoglia sensazioni relative a tatto, temperatura, dolore ecc.
• Sensibilità viscerale: danno ragione dello stato degli organi interni.

Invece, le informazioni elaborate dal SNC vengono inviate alla periferia tramite la via efferente, che è una via di tipo motorio. Anch’essa non è unica, ma si ha:

• Una via efferente somatica che impartisce i comandi motori ai muscoli del nostro organismo, quindi è volontaria.
• Una via efferente rappresentata dal sistema nervoso autonomo e quindi involontaria perché sotto controllo di alcuni centri neuronali che controllano la funzione di visceri e della muscolatura cardiaca.

Via afferente + via efferente = SNP.

Tessuto nervoso

Le peculiarità di questo sistema sono conferite dalle sue cellule che sono principalmente i neuroni. I neuroni sono collegati tra di loro con una complicata rete di connessione che dà origine ai circuiti neuronali. Una funzione chiave è quindi rappresentata dai neuroni, ma la loro attività è altamente sostenuta anche da tutte le cellule gliali che sono molto più elaborate e variabili.

Neuroni e circuiti neuronali

Affinché si possano formare i circuiti nervosi ci vuole tempo e informazioni estremamente precise che sono impartite durante lo sviluppo di un individuo, a partire dall’embrione fino alla vita adulta. Siccome i circuiti neuronali sono estremamente complessi e un neurone adulto non può riformare le stesse connessioni, tali connessioni/circuiti si formano durante la vita embrionale e rimangono fisse; in questo modo la cellula neuronale risulta altamente differenziata, infatti ci impiega tutto uno sviluppo per creare le connessioni ottimali. L’evoluzione ha fatto quindi in modo che i neuroni si specializzassero nel differenziamento per creare circuiti estremamente precisi, a discapito della replicazione. La cellula neuronale è una cellula matura terminalmente differenziata, che, raramente, si duplica.

Questo è un limite, ma anche una forza per il SNC perché:

• Limite: la possibilità che insorgano dei deficit o patologie a carico dei neuroni è elevata e, senza la capacità di replicazione, si ha una perdita delle funzioni neuronali.
• Forza: si usa tutto il periodo embrionale e il periodo dello sviluppo per generare circuiti complessi e ottimizzati.

Cellule gliali

Un’altra popolazione cellulare presente è quella delle cellule gliali, che hanno un ruolo fondamentale per supportare il funzionamento del SNC. Tali cellule non sono così differenziate, sono estremamente variabili e mantengono nel tempo la possibilità di proliferare/dividersi. Sono:

• Oligodendrociti (SNC) e cellule di Schwann (SNP): aumentano la velocità di propagazione dell’impulso formando la guaina mielinica. I neuroni periferici sono gli unici a mantenere la capacità di rigenerazione grazie alle cellule di Schwann.
• Cellule satelliti: si trovano nei gangli, cioè regione del SNP dove si ha un accumulo di corpi cellulari di neuroni che danno origine agli assoni della via sensoriale. Sono cellule che stanno attorno ai neuroni e hanno funzioni trofiche e meccaniche preservando la funzionalità e l’integrità delle cellule neuronali. Nel SNP non c’è la barriera ematoencefalica quindi il loro ruolo è molto importante per proteggere i neuroni da eventuali sostanze presenti nel liquido extracellulare che potrebbero danneggiare i neuroni.
• Cellule ependimali: si trovano nelle cavità interne del SNC, cioè nei ventricoli. Il loro ruolo è quello di formare una sorta di barriera che separa il SN dal liquido encefalorachidiano contenuto in queste cavità.
• Microglia: sentinelle immunitarie del SN.
• Astrociti: è una delle popolazioni più abbondanti e proprio per questo ricoprono più ruoli differenti.
  • Strutturale: hanno una struttura ad astro e la loro funzione principale è quella di formare un’impalcatura tridimensionale, fondamentale per mantenere i contatti tra le cellule neuronali e per organizzare i circuiti (formano una struttura radiata). Nella fase di sviluppo guidano l’assone alla formazione di corretti circuiti. Inoltre, sono le cellule in grado di proliferare quindi, laddove il tessuto nervoso è danneggiato, gli astrociti proliferano creando una struttura grazie alla quale le strutture nervose si modificano e si plasmano per ripristinare le funzioni base.
  • Controllo della composizione dell’ambiente interstiziale: oltre al ruolo strutturale, esse hanno un’altra funzione che è quella di regolare la composizione ionica. Il SNC è protetto dalla scatola cranica e questo limita le modifiche di volume, quindi la concentrazione ionica e la quantità di acqua presente nel SNC deve essere altamente controllata proprio dagli astrociti. Infatti, sulla membrana plasmatica degli astrociti sono presenti moltissimi canali ionici che servono per regolare la concentrazione dei NT, il trasporto e il loro rilascio (riciclo dei NT). Hanno anche un ruolo fondamentale nella regolazione del K⁺, aumentando la concentrazione del potassio le cellule si depolarizzano, al contrario si iperpolarizzano. Oltre al potassio devono essere regolate anche le concentrazioni dei protoni perché anche il pH può modificare l’eccitabilità della cellula. Inoltre, sono in grado di secernere sostanze che possono modificare la comunicazione sinaptica. Hanno anche un ruolo metabolico importante (l’astrocita sintetizza una sostanza che viene captata dal neurone e modificata all’interno del neurone).
  • Formazione della barriera ematoencefalica: essa è una barriera estremamente importante, poiché il circolo sanguigno può entrare a stretto contatto con le cellule nervose e poiché i neuroni non hanno capacità replicativa è molto importante che il circolo sanguigno sia separato dal sistema nervoso perché il sangue può veicolare sostanze altamente tossiche per il sistema nervoso. È quindi importante che il circolo sanguigno sia separato dal SNC e che venga controllata la quantità e il tipo di materiale che transita dal letto circolatorio e il parenchima nervoso.

La barriera ematoencefalica

La barriera ematoencefalica è molto complessa e molto selettiva. È formata da cellule dell’endotelio capillare che formano un endotelio serrato, cioè senza fenestrature. All’esterno della barriera endoteliale si ha una lamina basale alla quale si attaccano i pedicelli degli astrociti. Infatti, alcuni astrociti si specializzano per formare strutture filamentose che si portano vicino al letto capillare formando un ulteriore involucro. Le sostanze che vogliono passare dal letto sanguigno al parenchima nervoso devono passare queste barriere. La funzione della barriera ematoencefalica include:

• Trasporto rapido di gas e nutrienti.
• Controllo volume ematico perché non ci possono essere alterazioni di volumi a causa del limite della scatola cranica.
• Esclusione delle sostanze tossiche presenti nel torrente circolatorio.

La barriera ematoencefalica è quindi anche il limite più grosso per i farmaci che spesso sono molecole ideali per la molecola target, ma non riescono ad attraversarla. La barriera ematoencefalica può essere modificata da:

• Microonde.
• Infiammazioni.
• Radiazione.
• Traumi o shock osmotici.

Questi possono danneggiare o modificare la barriera ematoencefalica, ma possono anche essere usati per far sì che il farmaco possa penetrare la barriera ematoencefalica e raggiungere il SN. I parametri di selettività che selezionano i tipi di molecole che attraversano la barriera ematoencefalica sono legati al fatto che essa è formata da cellule endoteliali con giunzioni estremamente strette, quindi la via paracellulare è limitata.

Le molecole si possono spostare per la loro natura, quindi se sono molecole lipofile, o se hanno un coefficiente di ripartizione basso. Molecole dotate di carica netta sono invece ostacolate nel passaggio. I processi di transitosi sono estremamente limitati, ma si hanno elevati sistemi di trasporto per amminoacidi e glucosio oppure sistemi da trasporto recettore mediato. Passano tutte le sostanze che prevedono un sistema di trasporto specifico, sostanze liposolubili, molecole molto piccole e molecole non legate a proteine circolanti. Se si vuole creare un farmaco che passi la barriera ematoencefalica, esso deve avere un adeguato coefficiente di distribuzione, cioè un’affinità per le membrane plasmatiche, oppure deve essere pensato in modo tale che possa utilizzare un sistema di trasporto già presente a livello della barriera.

Vi sono poche regioni in cui la permeabilità è aumentata e esse sono a ridosso della regione ipotalamica-ipofisaria e del terzo ventricolo. A livello ipotalamico-ipofisario si ha la produzione di ormoni ed essi viaggiano attraverso il sangue, quindi ci deve essere una permeabilità aumentata a questo livello. A livello dell’ipotalamo inoltre ci sono regioni importanti per regolare la pressione omeostatica e il comportamento alimentare e queste regioni possono fare ciò perché sono in grado di “sentire”, a livello del sangue, se vi sono ioni osmoticamente attivi o concentrazioni di glucosio o piccole molecole ormonali. Dove è quindi estremamente importante l’accessibilità al circolo sanguigno, l’endotelio non è serrato. Un’altra zona importante è l’area postrema dove si trova il centro del vomito, infatti il vomito viene indotto nel momento in cui sentiamo sostanze tossiche e questo ha quindi il compito di espellere le sostanze tossiche e per sentire tali sostanze è necessario un comportamento complesso che può essere governato solo dal SNC e quindi l’area postrema deve avere accesso al circolo sanguigno per testare l’eventuale presenza di sostanze tossiche.

I circuiti

I neuroni, all’interno del nostro organismo, non sono isolati, ma sono raggruppati a formare i cosiddetti circuiti. Essi sono centinaia di migliaia, sono fissi, elaborati e lavorano in parallelo. Tutte le funzioni cerebrali sono svolte dall'integrazione dei segnali elettrici prodotta dall’organizzazione dei neuroni nei circuiti. Quindi, tutte le funzioni cerebrali vengono svolte da neuroni specificatamente connessi tra loro a formare i circuiti.

Sono definiti su base anatomica e/o funzionale e possono coinvolgere anche regioni distinte perché la loro funzione è quella di mettere in comunicazione varie parti per generare comportamenti complessi. Nonostante la gamma delle funzioni che possiamo fare è molto varia e varia da persona a persona e all’interno della stessa persona nel corso della vita, tutti i circuiti presenti possono essere riassunti in:

• Catene lineari di neuroni: neuroni connessi uno di seguito all’altro. Ogni cellula integra il segnale che proviene dalla cellula precedente. Si ha un’origine da cui parte e una fine a cui arriva il segnale elettrico. Sono quindi una successione di neuroni che elaborano informazioni che provengono dalla periferia fino al SNC dove avviene l’elaborazione. Tali circuiti sono quelli maggiormente diffusi soprattutto nella periferia. Esempio: riflesso patellare dettato da un circuito formato da una catena lineare di neuroni dove uno è un neurone sensoriale e uno un neurone motorio.
• Divergenti: l’informazione entra da un neurone, ma l’informazione viene portata a neuroni diversi lungo la catena. Si ha quindi un solo ingresso, ma più neuroni di uscita. Esempio: sistema nervoso visivo.
• Convergenti: l’informazione parte da neuroni diversi, ma converge in un unico neurone che è l’uscita terminale. Tali circuiti potenziano l’informazione perché a livello della sinapsi si possono integrare i potenziali generati dal rilascio di NT provenienti dai neuroni adiacenti. Esempio: sistemi motori.
• Circuiti riverberanti: essi hanno la funzione di regolare il segnale del neurone di partenza, cioè quello che ha generato l’input. L’input viene passato al neurone successivo, ma è riportato anche a livello del neurone stesso, cioè sullo stesso circuito. Questo tipo di circuito è detto riverberante proprio perché parte del segnale è riportato sul neurone stesso. L’azione può essere:
  • Positiva: viene aumentata l’attività del neurone di partenza. Esempio: memoria a lungo termine.
  • Negativa: viene spenta l’attività del neurone. Sono circuiti che controllano l’attività omeostatica.
• Circuito a scarico parallelo: essi sono divergenti all’inizio, proseguono con delle linee parallele e poi presentano una sola uscita. Sono estremamente importanti per dare spiegazione delle attività fini e veloci come quelle del calcolo. Due linee lavorano in parallelo, per poi portare l’informazione a un’unica uscita e tale informazione finale è quindi potenziata. I circuiti presenti sono solo quelli sopra citati, quindi non sono moltissimi, ma cambiano le connessioni, cambiano i NT, cambiano da regione a regione, da persona a persona e all’interno della stessa persona nel tempo; proprio per questo la risposta che genera i nostri comportamenti cambia continuamente.

Sviluppo del sistema nervoso

Il SNC si origina dall’ectoderma, più precisamente dalla placca neurale, cioè un’invaginazione di un foglietto di ectoderma. Lungo l’asse della placca neurale si sviluppa una piega, il solco neurale. I margini di questo solco si avvicinano piano piano tra di loro fino a unirsi formando il tubo neurale. Esso si ripiega nella regione encefalica, dando origine all’encefalo, e a livello del tronco per dare origine al tronco encefalico. Dalla chiusura del tubo neurale si origina anche il SNP poiché il tubo neurale dà origine al midollo spinale a livello del tronco, all’encefalo nella regione rostale, e a livello della chiusura, regione caudale, si formano delle cellule, dette cellule delle creste neurali (con stessa origine).