appunti di fisiologia

Fisiologia dei sistemi

Sistema nervoso periferico (divisione afferente)

Sistema sensoriale: udito

Suono: perturbazione meccanica che si propaga in un fluido prodotta dalle vibrazioni di un mezzo elastico. Le vibrazioni producono “onde sonore” che costituiscono regioni ad alta densità di molecole d’aria (compressione) separate da regioni a bassa densità (rarefazione). Il suono consiste quindi in onde pressorie condotte attraverso l’aria o l’acqua. Le onde possono essere descritte in termini di “frequenza” e “ampiezza”.

La maggior parte dei suoni è il risultato delle sovrapposizioni di un numero infinito di onde con frequenze e ampiezze variabili. La “frequenza”, misurabile in Hz (Hertz), è sinonimo di “tono”. Il suo reciproco è la lunghezza d’onda. Alta frequenza è detta “acuta”, bassa frequenza è detta “grave”. Possiamo udire tra i 20 e i 20000 Hz, con massima sensibilità tra 1000 e 3000 Hz.

L’“ampiezza”, si misura in Pascal, è sinonimo di “intensità” (volume) e definisce la variazione massima della pressione dell’aria. Spesso si fa riferimento all’ampiezza di un suono in rapporto alla soglia uditiva dell’orecchio (ossia l’ampiezza minima udibile) che è di 20µPa. Questo rapporto si esprime in decibel (dB); (20µPa = 0dB). Si fa quindi fede al “Sound Pressure Level” (SPL), o “livello sonoro” (L), misura logaritmica della pressione sonora efficace di un’onda sonora (ampiezza dell’onda) rispetto ad una sorgente di riferimento (I = 20 logP/P_ref).

Per dare un’idea: il linguaggio comune sono 65dB, mentre 120dB è la soglia del dolore. Nella maggior parte dei casi i suoni possono avere uguali frequenze e ampiezze, ma diverso “timbro”, ossia l’insieme dei diversi tipi di onde che ci sono in quel suono.

Orecchio

Le onde sonore entrano attraverso il canale uditivo esterno e viaggiano verso il timpano, il quale fornisce la superficie per la raccolta del suono e vibra in risposta ad onde sonore con frequenza compresa tra 20 e 20000 Hz. L’orecchio viene anatomicamente suddiviso in 3 regioni:

• Orecchio esterno
• Orecchio medio
• Orecchio interno

Orecchio esterno

L’orecchio esterno è in pratica la porzione visibile dell’orecchio, che raccoglie le onde sonore per dirigerle verso il “timpano”. Comprende il “padiglione auricolare”, formato da cartilagine elastica che circonda il “meato uditivo esterno”, proteggendolo e fornendo sensibilità direzionale all’orecchio, impedendo o favorendo il passaggio del suono attraverso il canale.

Il meato acustico esterno, o canale uditivo esterno, è un passaggio che termina alla “membrana del timpano”, una lamina sottile, estremamente delicata, di tessuto connettivo che segna il confine tra orecchio esterno e orecchio medio. Il padiglione auricolare ed il canale uditivo esterno, estremamente ristretto, proteggono la membrana del timpano dalla penetrazione di eventuali corpi estranei.

Le “ghiandole ceruminose”, distribuite lungo il canale, elaborano un secreto simile a cera (cerume), che rallenta la crescita di microrganismi riducendo le possibilità di infezione. Un'ulteriore protezione è fornita dai numerosi piccoli peluzzi posti in corrispondenza del meato acustico esterno. L’orecchio esterno è quindi in grado di convogliare l’onda sonora all’orecchio medio.

Orecchio medio

Orecchio medio è rappresentato da uno spazio pieno d’aria definito “cavità timpanica”, che contiene gli “ossicini uditivi” (staffa, incudine e martello). La cavità timpanica è separata dal canale uditivo esterno tramite la membrana del timpano, ma comunica con il rinofaringe attraverso il canale uditivo (tuba uditiva) e con i seni mastoidei tramite numerose piccole e variabili connessioni.

La tuba uditiva, detta anche “tromba di Eustachio”, o “tuba faringotimpanica”, è un condotto lungo circa 4 cm che penetra la porzione petrosa dell’osso temporale entro il canale muscolotubarico. La porzione connessa alla cavità timpanica è relativamente ristretta e supportata da cartilagine elastica, mentre l’apertura del rinofaringe è più slargata ed imbutiforme. Il significato della tuba uditiva è quello di equilibrare la pressione presente nella cavità dell’orecchio medio con la pressione atmosferica esterna; infatti, per evitare la dolorosa distorsione del timpano, la pressione deve risultare uguale sui due lati della membrana.

L’orecchio medio trasmette ed amplifica l’onda verso l’orecchio interno; l’onda sonora colpisce il timpano e viene convogliata sulla finestra ovale della coclea. Per fare ciò si serve degli ossicini uditivi che, in qualità di leve, trasferiscono le vibrazioni sonore dalla membrana del timpano ad una camera piena di fluido contenuta nell’orecchio interno: la vibrazione del timpano converte le onde sonore in arrivo in movimenti meccanici e la staffa invia poi le vibrazioni, derivate dai movimenti meccanici, ai fluidi dell’orecchio interno. Questa amplificazione ci permette di percepire i suoni anche molto fievoli ed è importante, altrimenti il suono si perderebbe velocemente nell’ambiente acquoso dell’orecchio interno, ma può divenire un problema in caso di rumori particolarmente forti.

Orecchio interno

La sensibilità relativa ad equilibrio e udito viene percepita dai recettori posti nell’orecchio interno, all’interno di un complesso di canalicoli e concamerazioni definito “labirinto membranoso”. Il labirinto contiene “endolinfa”, un fluido che presenta una concentrazione di potassio alta ed una concentrazione di sodio bassa. I recettori funzionano solo se esposti alla composizione ionica dell’endolinfa.

Il labirinto osseo è simile ad una conchiglia di tessuto osseo compatto la cui parete interna delimita e protegge il labirinto membranoso del quale segue strettamente i contorni, mentre la parete esterna è fusa con il circostante osso temporale. Tra labirinto osseo e labirinto membranoso scorre la “perilinfa”, liquido con concentrazione molto simile a quella del liquor cefalorachidiano.

Il labirinto osseo può essere diviso in:

• Vestibolo
• Canali semicircolari
• Coclea (chiocciola)

I recettori posti nel vestibolo e nei canali semicircolari sono deputati alla raccolta di sensazioni legate all’equilibrio, mentre i recettori della coclea alla raccolta dei suoni. L’orecchio interno trasduce quindi l’energia meccanica del suono in energia elettrica. La coclea è in grado di trasdurre 20-20000 Hz (il range di udibilità è 1000-3000 Hz).

Coclea

La coclea, o chiocciola, è l’organo sensoriale deputato alla percezione dei suoni. È formata da un tubo avvolto varie volte su sé stesso che si dispone a spirale, compiendo solitamente 2,5 giri intorno a un fulcro/parte centrale/nucleo osseo di forma conica detto “modiolo”. Quest’ultimo racchiude il “ganglio spirale”, i corpi dei neuroni sensitivi che controllano i recettori del dotto cocleare.

La spirale cocleare è completamente rivestita da una “capsula otica” ossea, che presenta due fori alla base: la “finestra ovale” e la “finestra rotonda”. Il tubo cocleare contiene tre concamerazioni separate tra loro:

• “Condotto vestibolare”, detto anche “scala del vestibolo” o “scala superiore” (reca alla base la finestra ovale)
• “Condotto cocleare”, detto anche “scala media” (contiene le cellule cigliate)
• “Condotto timpanico”, detto anche “scala del timpano” o “scala inferiore” (reca alla base la finestra rotonda)

La scala vestibolare e la scala timpanica, piene di perilinfa, comunicano tra loro all’apice della coclea, con un foro detto “elicotrema”. La scala media, o condotto cocleare, contiene endolinfa. Qui troviamo l’“organo del Corti” deputato alla trasduzione del segnale.

La “membrana basilare” separa la scala media dalla scala timpanica e su di essa poggia l’organo del Corti. La “membrana di Reissner” separa la scala media dalla scala del vestibolo. La “stria vascularis” è un insieme di cellule per la secrezione di ioni potassio.

Le scale contengono liquido: la scala del vestibolo e la scala del timpano contengono “perilinfa” (elevato contenuto di sodio), mentre la scala media contiene “endolinfa” (alto contenuto di potassio, basso contenuto di sodio). La membrana basilare è una pseudo struttura risonante che, come la corda di uno strumento musicale, varia in larghezza e rigidità.

Il movimento della membrana basilare è generalmente descritto come un’onda. Si crea infatti un’onda sonora progressiva che, attraversando la membrana basilare, si sposta dalla finestra ovale all’apice, sede di incontro tra scala del vestibolo e scala del timpano. La membrana basilare è più ampia e meno rigida all'apice della coclea, mentre è stretta e più rigida alla base. I suoni ad alta frequenza si localizzano quindi vicino alla base della coclea (vicino alla finestra rotonda e ovale), mentre i suoni a bassa frequenza si localizzano vicino all'apice. Le frequenze intermedie sono rappresentate in sequenza tra queste estremità. Questa organizzazione è detta “mappa tonotopica”, ossia una organizzazione topografica del suono lungo la membrana basilare, la quale invia poi le informazioni sul suono al cervello.

I suoni sono dunque codificati dall’organo del Corti su un “gradiente tonotopico”, in cui la posizione di una cellula cigliata corrisponde ad una frequenza presente nell’onda sonora di stimolo. Questo gradiente segue una scala logaritmica.

Organo del Corti

L’organo del Corti rappresenta l’epitelio sensoriale della coclea, che presenta cellule capellute, dette “cellule ciliate”, del condotto cocleare e, giacendo sopra la membrana basilare (elastica), separa il dotto cocleare dal dotto timpanico. Le cellule ciliate si dispongono in due file longitudinali, interna ed esterna, e sono tenute in posizione da cellule di supporto specializzate. Presentano stereociglia in contatto con la sovrastante “membrana tectoria”, che è una spessa lamina gelatinosa fermamente salda alla parete interna del dotto cocleare.

Le onde perilinfatiche prodotte dai suoni provocano un movimento ondulatorio della membrana basilare, e con essa dell’organo del Corti sovrastante: quando una parte della membrana basilare viene sollecitata, le stereociglia delle cellule cigliate vengono distorte.

Poiché la membrana tectoria è ancorata alla parete modiolare della scala media, lo spostamento in verticale dell’organo del Corti (derivato dal moto ondulatorio) viene trasformato in moto tangenziale della membrana tectoria rispetto alle stereociglia delle cellule ciliate. Quindi, nel momento in cui oscilla la membrana basilare, dato dalle onde sonore in arrivo, si muove l’organo del Corti, che toccando la membrana tectoria con le sue stereociglia provoca il movimento anche di questa.

Ganglio spirale del Corti

Le cellule ciliate dell’organo del Corti comunicano con i neuroni del ganglio spirale. Il “ganglio spirale” del Corti, o “ganglio cocleare”, è il ganglio di riferimento del nervo cocleare. Il “nervo cocleare” è una delle due ramificazioni del nervo vestibolococleare, detto anche “nervo stato-acustico”. Il “nervo vestibolococleare” è l'ottavo nervo cranico, ed è un nervo sensitivo che trasmette le informazioni codificate a livello dell'orecchio e ha il nucleo a livello del rombencefalo ed è appunto diviso in due “porzioni”: nervo cocleare e nervo vestibolare (quest’ultimo per la parte dell’orecchio interno deputata al senso dell’equilibrio).

Le fibre nel nervo cocleare, dopo aver attraversato le fossette del meato acustico interno, percorrono i canalicoli nel modiolo della coclea e raggiungono il ganglio spirale. In esso sono contenuti i neuroni sensitivi i cui assoni percorrono i canalicoli presenti nella lamina spirale ossea e terminano nell'Organo del Corti, a livello delle cellule ciliate acustiche. I neuroni sensitivi presenti sono di due tipi:

• Cellule gangliari di I tipo: neuroni bipolari opposito-polari che innervano le cellule ciliate interne
• Cellule gangliari di II tipo: neuroni pseudo-unipolari che si mettono in rapporto con le cellule ciliate esterne

Le cellule ciliate hanno questo nome in quanto recano sulla superficie apicale un ciuffo di 20-100 lunghi villi, o “stereociglia”, che ne costituisce l’apparato di meccano-trasduzione. All’interno del ciuffo, le stereociglia sono disposte come le canne di un organo, in file di lunghezza decrescente. Nelle cellule ciliate acustiche, accanto alle stereociglia più alte si trova un ciglio vero (ossia con struttura flagellare) detto “chinociglio”, il quale degenera durante lo sviluppo. È questo ciuffo ciliare che si trova in contatto con la membrana tectoria. Le ciglia sono bagnate dall’endolinfa presente nella scala media.

Meccanotrasduzione

Non c’è comunicazione paracellulare grazie alla presenza di “giunzioni serrate”, che sono quelle più vicine al versante apicale ed hanno la funzione di impermeabilizzazione, oltre a dividere la regione apicale da quella basolaterale.

Il movimento del ciuffo cigliare verso la direzione delle stereociglia più alte da origine a una corrente di recettore depolarizzante, che genera un potenziale di recettore modulato dai canali ionici voltaggio-dipendenti e calcio-dipendenti della membrana basolaterale della cellula. Questo potenziale induce la liberazione di glutammato (qui fa da neurotrasmettitore), tramite vescicole, alla sinapsi chimica tra cellula ciliata e neurone afferente primario. Tutto questo sta alla base della “trasduzione meccanoelettrica” delle onde pressorie sonore in potenziali d’azione neuronali.

Le cellule ciliate e le terminazioni afferenti degli organi vestibolococleari ricevono anche un’innervazione efferente, che ne regola la risposta. Ciascuna delle 3500 cellule ciliate interne contatta da dieci a trenta fibre afferenti (in rosso), ciascuna delle quali forma una sola terminazione sinaptica. Le fibre afferenti che contattano una cellula ciliata mostrano tutte un’uguale risposta di frequenza, ma diverse sensibilità. In questo modo, la gamma di intensità percepibili si estende su sette ordini di grandezza.

Le vie acustiche afferenti sono ottimizzate per la trasmissione di segnali veloci. Le cellule ciliate esterne presentano invece peculiari caratteristiche strutturali e funzionali. Queste cellule ricevono una scarsa innervazione afferente (in viola). Le fibre efferenti, provenienti dall’oliva superiore, innervano abbondantemente le cellule ciliate esterne (in verde) e contattano anche le fibre afferenti che innervano le cellule ciliate interne (in giallo – non contattano direttamente le cellule ciliate interne, ma sinaptano con le fibre afferenti che arrivano alle cellule ciliate interne).

In generale, nella “meccanotrasduzione” un segnale meccanico viene convertito in un segnale nervoso tramite i meccanorecettori. Alla base di questa forma di trasduzione ci sono i canali ionici a controllo meccanico. Nel caso della trasmissione del suono, la meccanica degli elementi dell’orecchio interno trasmette alle cellule ciliate acustiche, che sono le cellule deputate al fenomeno della trasduzione, la vibrazione causata dall’arrivo di onde sonore; il movimento del fascetto di ciglia e la sua particolare struttura fanno sì che la vibrazione determini una variazione periodica della tensione esercitata sui canali ionici, che si aprono e si chiudono causando cicli di depolarizzazione e iperpolarizzazione che costituiscono il segnale nervoso.

Si passa quindi da vibrazioni a impulsi elettrici, che tramite le sottili fibre del nervo acustico arrivano al cervello, dove determinano la sensazione uditiva. La trasduzione a livello sonoro è quindi di tipo meccano-elettrica e con questo termine si intende la genesi di un segnale elettrico. Come abbiamo già detto sono coinvolti dei canali ionici, perché sono gli unici a poter generare, in presenza di un flusso ionico, una variazione di potenziale. Su una cellula ciliata, con ciglia organizzate in modo scalare, dalle più corte alle più lunghe:

• Se le ciglia si spostano verso il ciglio più grande, questo è sinonimo di “eccitazione” e quindi di “depolarizzazione” del potenziale di membrana della cellula ciliata.
• Se le ciglia invece si spostano in senso opposto rispetto al ciglio più grande, allora questo è sinonimo di “inibizione” e quindi di “iperpolarizzazione” della cellula ciliata.

La cellula ciliata non dà potenziali d’azione (perché non ha assone), ma risponde allo stimolo, dato dagli spostamenti nanometrici delle ciglia in un senso o nell’altro, solo con sequenze di depolarizzazione e iperpolarizzazione (sincrone con lo spostamento delle ciglia), ossia con “potenziali recettore” (segnali passivi proporzionali allo stimolo): non facendo potenziali d’azione, la cellula ciliata non ha bisogno di assoni per la trasduzione.