Domande aperte Neurofisiologia

Domande aperte neurofisiologia

Lezione 4

Descrivere la morfologia del neurone

Il neurone è l’unità fondamentale del tessuto nervoso ed è composto dal punto di vista morfologico da un corpo cellulare (soma) e da prolungamenti citoplasmatici, chiamati neuriti, che si dipartono da esso (dendriti e assone). Il corpo cellulare è composto dal pirenoforo, sede del nucleo, e da altri organelli; è caratterizzato da un’abbondante attività sintetica; le proteine neosintetizzate vengono movimentate verso la periferia (terminali dendritici e assonici) grazie al trasporto assoplasmatico. I dendriti sono prolungamenti presenti in numero variabile che ricevono le informazioni provenienti da altri neuroni o dall’ambiente circostante e le veicolano al nucleo. L’assone è il prolungamento che si diparte dal corpo cellulare dal polo opposto rispetto ai dendriti; è caratterizzato dalla presenza di un rivestimento discontinuo di mielina, di natura lipidica: sono presenti tratti di assone rivestito da mielina, detti internodi, alternati a brevi tratti di assone nudo, detti nodi di Ranvier. L’assone trasporta le informazioni dal corpo cellulare ad un altro neurone o a una cellula effettrice.

Descrivere le funzioni delle componenti neuronali

Come funziona il neurone? Ha due funzioni: di input (dendrite) e di output (assone).

Input: il sistema nervoso può ricevere informazioni dall’esterno attraverso i canali sensoriali (vista, udito, olfatto, gusto, tatto) e dall’interno dell’organismo (ad esempio dolore viscerale, senso di posizione e movimento del corpo nello spazio). Tali informazioni vengono raccolte dai recettori (non necessariamente costituiti da solo tessuto nervoso), considerati dei trasduttori, cioè strutture specializzate in grado di trasformare diverse forme di energia (luminosa, meccanica, termica) in energia bioelettrica. Quest’ultima forma di energia rappresenta quella utilizzabile dal sistema nervoso per l’elaborazione di informazioni.

Output: le informazioni ricevute vengono elaborate ed i segnali bioelettrici vengono convogliati ai muscoli scheletrici (per i movimenti del nostro corpo), ai muscoli lisci dei visceri (per regolare funzioni quali la peristalsi intestinale e la minzione) e al muscolo striato cardiaco (per regolare il battito cardiaco).

Descrivi i vari tipi di neuroni

I neuroni possono essere classificati in base alla lunghezza dell’assone. Si distinguono:

• Neuroni di proiezione: sono neuroni che presentano un assone lungo, con terminazioni assonali lontane dal soma. Questi neuroni trasmettono informazioni ad altri neuroni posti a notevole distanza.
• Interneuroni: sono neuroni che presentano un assone più breve; essi stabiliscono un circuito locale, consentendo la trasmissione dell’informazione a neuroni situati in vicinanza del neurone trasmittente.

In base alla funzione e alla propagazione dell’impulso nervoso, invece, è possibile distinguerli in:

• Neuroni sensitivi o afferenti: ricevono stimoli e trasportano l’informazione dagli organi sensoriali al sistema nervoso centrale. Le fibre composte da assoni di questo tipo di neuroni sono chiamate afferenti.
• Interneuroni o neuroni intercalari: integrano i dati forniti dai neuroni sensoriali e li trasmettono ai neuroni motori.
• Neuroni motori o efferenti (motoneuroni): diffondono impulsi di tipo motorio agli organi della periferia corporea. In ambito neuroanatomico si tende a distinguerli in somatomotori (o motoneuroni propriamente detti) e visceroeffettori.

Cosa sono i motoneuroni?

I motoneuroni (neuroni motori o efferenti) diffondono impulsi di tipo motorio agli organi della periferia corporea. A loro volta si dividono in:

• Somatomotori: i cui assoni formano fibre chiamate efferenti che innervano la muscolatura striata volontaria dell’organismo. Si differenziano ulteriormente in motoneuroni α, ossia responsabili dell’effettiva contrazione delle fibre muscolari striate, e motoneuroni γ, che innervano gli organi sensoriali propriocettivi detti fusi neuromuscolari intercalati nella stessa struttura muscolare.
• Visceroeffettori: danno origine a fibre dette pregangliari che si collegano sempre a un secondo neurone localizzato in un ganglio simpatico o parasimpatico, da cui origina la fibra postgangliare. Tali neuroni agiscono nell’ambito delle risposte involontarie o viscerali.

Qual è la funzione della sinapsi?

Le sinapsi sono giunzioni specializzate la cui funzione è la trasmissione degli impulsi nervosi, permettono ovvero il passaggio di un’informazione dall’elemento presinaptico (assone) di un neurone all’elemento postsinaptico (dendrite) di un altro neurone. In base al meccanismo di trasmissione dell’informazione si distingue tra: sinapsi chimiche, che necessitano di neurotrasmettitori; sinapsi elettriche, che non necessitano di neurotrasmettitori.

Una sinapsi è formata da:

• Un bottone terminale, che si trova sull’assone del neurone da cui viene trasmesso il segnale. La membrana che circonda il bottone terminale è detta membrana presinaptica.
• Una struttura del neurone che riceve il segnale (dendriti). La membrana che ricopre i dendriti è chiamata postsinaptica.
• Uno spazio extracellulare detto fessura sinaptica. Nella sinapsi l’informazione fluisce dal neurone presinaptico a quello postsinaptico.

Lezione 5

Cosa si intende per eccitabilità neuronale?

L’eccitabilità neuronale è una proprietà biofisica fondamentale dei neuroni che consiste nella capacità di generare impulsi elettrici che si propagano lungo la membrana. La membrana plasmatica del neurone e dei suoi prolungamenti ha la caratteristica di reagire a cambiamenti dell’ambiente (stimoli) con mutamenti dello stato fisico-chimico che generano variazioni del potenziale elettrico di membrana (potenziale d’azione); questo potenziale viene usato per propagare gli impulsi elettrici con i quali i neuroni comunicano con le altre cellule. L’eccitabilità neuronale dipende dalla presenza nella membrana di canali dotati di due caratteristiche: la permeabilità selettiva per determinate specie ioniche (potassio, sodio, cloro o calcio) e la possibilità di variare questa permeabilità in relazione alla differenza di potenziale esistente tra le due superfici della membrana.

Cosa si intende per membrana eccitabile?

Le membrane eccitabili sono le membrane plasmatiche che circondano neuroni e cellule muscolari. Per definizione, sono quelle membrane in grado di generare e/o condurre segnali elettrici (PPSE, PPSI, potenziali d’azione). Le membrane eccitabili rappresentano la caratteristica principale dei tessuti eccitabili. In particolare, neuroni e cellule muscolari (lisce e striate) costituiscono i principali tessuti eccitabili del nostro organismo. In generale, tutte le cellule del nostro organismo sono delimitate da una membrana, detta membrana plasmatica o membrana cellulare. Tale struttura contiene tutti gli organuli della cellula e separa l’ambiente extracellulare da quello intracellulare (cioè dal citoplasma).

Che cosa è un canale ionico? Descrivere il funzionamento dei canali ionici.

Un canale ionico è una proteina trans-membrana che, congiuntamente con le pompe ioniche, modula il potenziale di membrana che permette il passaggio di determinati ioni dall'esterno all'interno della cellula o viceversa. I canali ionici controllano in particolare, in modo generalmente selettivo, il flusso di ioni che entra ed esce dalla cellula secondo il gradiente di concentrazione. Oltre a regolare il potenziale di membrana, l’entrata di questi ioni (in particolare gli ioni Ca²⁺) modula le funzioni cellulari importanti come la contrazione muscolare e la trasmissione nervosa. Si conoscono due tipi principali di canali: quelli la cui apertura e chiusura sono legate a variazioni del potenziale di membrana (a sua volta conseguenza dell’azione di altri canali) e quelli che sono regolati da un ligando specifico (una molecola in grado di legare una biomolecola e formare un complesso in grado di svolgere o indurre una funzione biologica). L’apertura del canale è in entrambi i casi dovuta a un riarrangiamento conformazionale della molecola proteica che costituisce il poro. L’interazione diretta con il canale produce effetti rapidi, dell’ordine dei millisecondi, mentre l’apertura indiretta è più lenta, centinaia di millisecondi, ma più duratura.

Lezione 6

Indicare con precisione la differenza di potenziale

Il potenziale di membrana è il risultato di una diseguale distribuzione di cariche elettriche ai due lati della membrana, che si comporta come una barriera con permeabilità selettiva. La differenza di potenziale Em può dare luogo a un lavoro elettrico compiuto dagli ioni che attraversano la membrana in grado di compensare il lavoro osmotico dovuto alla differenza di concentrazione. La differenza di potenziale è misurata in millivolt (mV). In condizioni di riposo il versante interno della cellula risulta carico negativamente rispetto all’esterno che risulta carico positivamente. In una cellula nervosa, la differenza di potenziale è circa -70 mV, valore che si mantiene costante in assenza di stimolazione. Le variazioni rispetto al valore di riposo possono essere:

• Depolarizzazione: modificazione del potenziale verso valori più elettropositivi;
• Iperpolarizzazione: modificazione del potenziale verso valori più elettronegativi.

Descrivere i meccanismi di elettrogenesi

Il potenziale di membrana è il risultato di una diseguale distribuzione di cariche elettriche ai due lati della membrana, che si comporta come una barriera con permeabilità selettiva. Le specie ioniche danno una composizione molto diversa ai due compartimenti idrici e precisamente:

• Compartimento extracellulare: alte concentrazioni di Na⁺, Ca²⁺ e Cl^-;
• Compartimento intracellulare: alte concentrazioni di K⁺ e anioni inorganici (A^-).

La struttura della membrana è il bilayer fosfolipidico che risulta impermeabile alle molecole cariche elettricamente, rivestite da uno strato di molecole d’acqua (strato di solvatazione). La via utilizzata dalle specie ioniche per attraversare la membrana è costituita dai canali ionici, proteine integrali di membrana che attraversano da parte a parte il doppio strato fosfolipidico.

Lezione 7

Descrivere le caratteristiche di un potenziale d’azione

L’insorgenza di un potenziale d’azione si verifica quando una serie di eventi elettrotonici si somma, per cui il potenziale di membrana si discosta dal valore di riposo innescando un potenziale d’azione capace di propagarsi lungo la fibra nervosa. Un potenziale d’azione non è altro che una modificazione della conduttanza ionica di membrana, che determina l’apertura dei canali voltaggio-dipendenti di sodio e potassio. I potenziali d’azione presentano alcune caratteristiche, quali:

• Sono depolarizzazioni rapide del potenziale di membrana che raggiunge valori al di sopra dei 0 mV, per poi tornare lentamente al valore di riposo.
• Sono eventi che possono ripetersi nel tempo e nello spazio.
• Seguono la legge del “tutto o nulla”, per cui l’insorgenza del potenziale richiede che la depolarizzazione raggiunga un valore critico (soglia).
• Si osservano in cellule eccitabili e sono utilizzati per trasferire informazioni da una cellula all’altra mediante connessioni sinaptiche.
• Dopo un potenziale si instaura un periodo di non responsività che inizialmente è assoluta (periodo refrattario assoluto) e poi parziale (periodo refrattario relativo).
• Si propagano con velocità compresa tra 1 m/s e 100 m/s.

Quali sono le fasi di un potenziale d’azione?

Cosa si intende per fase di depolarizzazione?

Depolarizzazione, dovuta alla rapida apertura dei canali del Na⁺ con aumento della conduttanza dello ione G_na, con la comparsa di una corrente entrante; la durata del potenziale di azione è limitata da due fattori: la depolarizzazione provoca inattivazione dei canali del Na⁺ e l’apertura dei canali per K⁺.

Cosa si intende per fase di ripolarizzazione?

Ripolarizzazione, dovuta a una corrente in uscita di ioni K⁺ con aumento della conduttanza per lo ione G_K che tende a ripolarizzare la membrana.

Cosa si intende per fase di iperpolarizzazione?

Iperpolarizzazione, in molte cellule un potenziale è seguito da un breve aumento della negatività, dovuto al fatto che i canali per il K⁺ non si chiudono in modo sincrono quando il V_m raggiunge il valore di equilibrio e si registra un maggiore efflusso di K⁺.

Descrivere le caratteristiche delle varie conduttanze ioniche nel potenziale d’azione

Durante un potenziale d’azione si registra una variazione delle conduttanze ioniche che riguardano Na⁺ e K⁺, entrambe attive al voltaggio. Le cellule eccitabili possiedono un largo corredo di canali ad accesso variabile che contribuiscono ad una vasta gamma di risposte che le cellule sono in grado di fornire. La variabilità della conduttanza è legata alla varietà di forma, durata e meccanismi di accensione o gating dei canali:

• Canali aperti da stimoli depolarizzanti o iperpolarizzanti;
• Canali attivi da secondi messaggeri;
• Canali passivi.

Lezione 8

Come funziona una sinapsi elettrica?

Nelle sinapsi elettriche il segnale elettrico passa direttamente dal terminale presinaptico alla cellula postsinaptica: il citoplasma della membrana presinaptica è a stretto contatto con quello della cellula postsinaptica; questo è possibile grazie alla presenza di gap junction, dei canali ionici specializzati che consentono il flusso ionico da una cellula all’altra. L’accoppiamento elettrico è assicurato dai connessoni, due emicanali strettamente addossati in modo da lasciare uno spazio “virtuale” tra i due elementi della sinapsi. Ogni connessone è costituito da connessine, delle subunità proteiche organizzate in esomeri; le sei subunità sono disposte in modo da determinare un poro che mette in comunicazione il citoplasma delle cellule attigue.

Come funziona una sinapsi chimica?

Nelle sinapsi chimiche il potenziale d’azione determina il rilascio di un neurotrasmettitore, una sostanza chimica immagazzinata in vescicole. Rispetto alle sinapsi elettriche presentano un ritardo della risposta sinaptica in quanto il neurotrasmettitore, liberato per esocitosi dalle vescicole presenti nel terminale presinaptico a seguito di una depolarizzazione, deve attraversare lo spazio sinaptico e legarsi a recettori presenti sulla membrana dell’elemento postsinaptico.

Indicare le principali differenze tra la sinapsi elettrica e la sinapsi chimica

Nella sinapsi elettrica il segnale elettrico passa direttamente dal terminale presinaptico alla cellula postsinaptica; nella sinapsi chimica il potenziale d’azione determina il rilascio di una sostanza chimica, il neurotrasmettitore, immagazzinata in vescicole. Mentre nelle sinapsi elettriche il passaggio del segnale nervoso è immediato, nelle sinapsi chimiche si registra un ritardo sinaptico.

Descrivere le caratteristiche generali e comuni dei vari trasmettitori

I neurotrasmettitori presentano alcune caratteristiche comuni:

• Devono essere sintetizzati dal neurone presinaptico, che contiene gli enzimi deputati alla sintesi, la quale può avvenire a livello del soma o in prossimità della membrana.
• Sono liberati in seguito all’insorgenza di un impulso nervoso di intensità tale da generare una risposta.
• Sono metabolizzati da enzimi specifici e ricaptati da trasportatori deputati all'inattivazione e rimozione del neurotrasmettitore.
• Devono dare sempre la stessa risposta che deve essere bloccata da molecole definite antagonisti competitivi.

I neurotrasmettitori principali del SN sono:

• Acetilcolina
• Amine biogene: dopamina, noradrenalina, adrenalina e serotonina
• Aminoacidi: GABA, glicina e glutammato
• Istamina

Lezione 9

Descrivere i vari tipi di recettori per i neurotrasmettitori

Indicare le principali differenze tra i recettori ionotropici ed i recettori metabotropici

I neurotrasmettitori liberati dalle terminazioni nervose si legano a recettori, delle proteine specializzate presenti sulla membrana postsinaptica. I recettori si dividono in due grosse famiglie:

• Recettori ionotropici o recettori-canale: formano un canale ionico vero e proprio e il legame con il neurotrasmettitore induce una variazione conformazionale che apre il poro;
• Recettori metabotropici: attivano indirettamente dei canali ionici mediante una cascata di secondi messaggeri (cAMP, DAG e IP₃, Calcio) capaci di attivare eventi biochimici anche abbastanza complessi. Nel caso dei recettori metabotropici bisogna prendere in considerazione la struttura del recettore, il ciclo delle proteine G e l’effettore che viene attivato.

In base alla diversa localizzazione, i recettori si differenziano in:

• Intracellulari: alcune sostanze lipofile come gli ormoni steroidei, ormoni tiroidei, vitamine A e K, hanno la capacità di diffondere attraverso la membrana delle cellule e di agire su recettori intracellulari. Regolano la crescita, la differenziazione cellulare e l’omeostasi.
• Recettori di membrana: sono proteine integrali di membrana capaci di segnalare alla cellula la presenza del ligando; in funzione del meccanismo di trasduzione si differenziano due tipi di recettori.

Sono suddivisi in quattro superfamiglie:

• Recettori canale
• Recettori accoppiati a proteine G
• Recettori ad attività tirosin-chinasica
• Recettori ad attività guanilato ciclasica

Cosa si intende per recettori a canale ionico?

I recettori canale sono canali ionici ligando-dipendenti, chiamati anche ionotropici, costituiti da glicoproteine che si assemblano a formare un canale idrofobico. L’apertura del canale è...