Appunti di fondamenti anatomicofisiologici dell'attività psichica

Università degli Studi di Milano – Bicocca

Corso di laurea in Scienze e Tecniche Psicologiche

I anno

Fondamenti anatomico-fisiologici dell’attività psichica (8 CFU)

Prof. Nadia Bolognini

Alessandra Cominelli, matricola 870181

Neurobiologia

I neuroni e le cellule associate

Il sistema nervoso è costituito da due principali classi di cellule: neuroni e cellule gliali.

• I neuroni sono cellule caratterizzate dalla capacità di dare origine e trasmettere segnali di natura elettrica; per questa loro capacità, condivisa con le cellule muscolari, sono dette eccitabili. I neuroni sono connessi tra loro e formano circuiti anatomici ben definiti, all'interno dei quali viene elaborata l'informazione nervosa: i diversi comportamenti che ne scaturiscono dipendono dalle specifiche connessioni che i neuroni stabiliscono tra loro e con gli organi effettori, quali i muscoli scheletrici. Ve ne sono 100 miliardi.
• Le cellule gliali circondano e sostengono i neuroni (funzioni di supporto dell'attività neuronale) ed esercitano molte altre funzioni. Sono da 10 a 50 volte più numerose dei neuroni.

I neuroni

Excursus storico

Il diametro del neurone varia da 0,01 a 0,05 mm. Il ritardo nella scoperta dei neuroni fu dovuto a motivi tecnologici: essendo i neuroni piccolissimi, si è dovuto attendere l'arrivo del microscopio elettronico. Vi fu un altro problema: alla fine del XVII secolo, quando è comparso il microscopio ottico, vi era l’esigenza di tagliare a fette il cervello per osservarlo al microscopio; ai tempi non si riuscivano a fare delle fettine, essendo il cervello molliccio. Bisognerà aspettare un composto, detto “forma aldeide” (gas inodore), per permettere l’indurimento del cervello. Così, usando il microtomo, lo si può affettare a fette sottilissime per essere inserite nel microscopio elettronico, avente una risoluzione tale da mostrare il neurone. (N.B. L’istologia è lo studio della struttura dei tessuti tramite microscopia).

All’inizio, tuttavia, non si riusciva a vedere i componenti del neurone. Bisognerà attendere i coloranti: il primo è il violetto cresyl, scoperto da Nissl, che ha permesso di evidenziare la citoarchitettura (come sono disposti i neuroni nel cervello), ma non ha permesso di vedere come i neuroni erano formati. Così, Golgi ha scoperto che il cromato d’argento consente l’identificazione fine del neurone e delle sue parti (struttura). Golgi è diventato famoso perché grazie al suo metodo di colorazione ha studiato in dettaglio i neuroni, cercando di capire come sono disposti nel cervello. Ha proposto la teoria reticolare: il cervello è composto da neuroni; i neuroni sono uniti tra loro a formare una rete unica (sincizio: tutti i neuroni sono collegati anatomicamente formando una rete).

Questa teoria venne contrastata da Ramon y Cajal, che usando il colorante di Golgi si è reso conto che i neuroni non sono attaccati, non sono connessi in modo continuativo: essi comunicano per contatto e non per continuità (oggi: contatto sinaptico). Si è reso conto che i neuroni sono separati da spazi piccolissimi, evidenziando uno degli assunti base della neurofisiologia. La sua teoria (teoria del neurone) si basa su quattro postulati:

• Il neurone è un’unità anatomica: due neuroni apparentemente adiacenti sono fisicamente separati.
• Il neurone è un’unità funzionale: è influenzato solo dai neuroni con cui entra in contatto.
• Il neurone è un’unità genetica: tutti i neuroni originano da un’unica cellula progenitrice (neuroblasto). I neuroni sviluppano partendo da esso caratteristiche chimiche e strutturali specifiche, che fanno sì che neuroni simili comunichino tra loro.
• Il neurone è un’unità trofica: il taglio dell’assone fa degenerare il neurone (degenerazione anterograda) sia a valle sia a monte (degenerazione retrograda); la degenerazione non si estende oltre la sinapsi (questo ultimo assunto è solo parzialmente vero: vi sono in realtà evidenze di degenerazione trans-sinaptica: non si spiegherebbe un fenomeno riscontrato di degenerazione transinaptica retinica: se uno ha una lesione alla corteccia visiva, dopo sei mesi/un anno dall’ictus si degenera anche la retina).

Anatomia

Il sistema nervoso dell’uomo contiene circa 100 miliardi di neuroni. Queste cellule sono formate da:

• Corpo cellulare (o soma): centro metabolico e genetico; le sue dimensioni variano da neurone a neurone.
• Neuriti (filamenti, prolungamenti tramite cui comunica con l’esterno e riceve le informazioni dall’esterno) che dipartono dal soma: dendriti (captano informazioni provenienti da altri neuroni; input) e assone (invia l’informazione all’esterno; output).

Soma e neuriti sono circondati dalla membrana plasmatica (la cui struttura è fondamentale per l’attività elettrica del neurone), che racchiude il citoplasma (il liquido contenuto nella cellula) e gli organuli in esso contenuti.

Membrana plasmatica

La membrana plasmatica, o membrana cellulare, ha uno spessore di 6-8 nanometri (nm) ed è costituita prevalentemente da proteine e lipidi. I lipidi sono principalmente fosfolipidi, molecole complesse costituite da una testa carica elettricamente (polare e idrofilica), rappresentata da un gruppo fosfato, e due code costituite da catene di acidi grassi non cariche (apolari e idrofobiche). Per la loro struttura, quando le molecole fosfolipidiche sono inserite in una soluzione acquosa, esse si dispongono in modo da formare un doppio strato, con le code idrofobiche che si affrontano al centro e le teste idrofiliche rivolte verso l'esterno; nel caso della membrana plasmatica, le teste idrofiliche guardano, da un lato, verso lo spazio extracellulare, e dall'altro verso lo spazio intracellulare. Le più comuni molecole fosfolipidiche che formano la membrana plasmatica sono fosfatidilcolina e fosfatidilserina, in cui la testa idrofilica della molecola è costituita, rispettivamente, dall'aminoacido colina o dall'amminoacido serina e da un gruppo fosforico.

La membrana plasmatica è una struttura piuttosto delicata, che mantiene la sua conformazione solo grazie alla forza repulsiva che il materiale acquoso intra- ed extra-cellulare esercita nei confronti dei lipidi di membrana. In questa matrice lipidica sono immerse proteine, alcune adagiate sulla superficie intra-ed extra-cellulare della membrana (proteine di superficie) ed altre che la attraversano completamente (proteine intrinseche); questa organizzazione della membrana è stata definita a mosaico fluido.

Le proteine intrinseche sono molto importanti per lo svolgimento delle funzioni neuronali: gruppi di 4-6 proteine intrinseche si assemblano a delimitare un’apertura che mette in comunicazione lo spazio extracellulare con quello intracellulare: sono i cosiddetti canali di membrana, che permettono il passaggio tramite la membrana stessa di ioni (che altrimenti non potrebbero superare l’ostacolo rappresentato dalle code idrofobiche dei fosfolipidi). Molti canali di membrana sono ione-specifici; inoltre, alcuni di essi, chiamati canali attivi (trasporto passivo; diffusione facilitata), possono variare la loro permeabilità agli ioni in risposta a segnali di diversa natura; tale variazione di permeabilità rende possibile un cambiamento della concentrazione ionica ai due lati della membrana in tempi molto rapidi, generando segnali elettrici che vengono poi trasmessi agli altri neuroni.

Un secondo gruppo di proteine intrinseche è rappresentato dalle pompe ioniche e dai trasportatori di membrana, in grado di trasportare attivamente molecole attraverso la membrana plasmatica utilizzando ATP. Sono proteine di membrana anche i recettori, cui si legano molecole specifiche presenti nel liquido extracellulare; l’attivazione dei recettori prodotta da questo legame può dare luogo a importanti modificazioni nell’ambiente intracellulare, prodotte, per esempio, dall’attivazione di enzimi (proteine in grado di modificare struttura e funzione di altre molecole).

Soma

Parte centrale rotonda del neurone, corpo neuronale. Troviamo:

• Citosol: soluzione salina ricca di potassio K⁺ (ione la cui concentrazione dà potenziale elettrico a riposo del neurone).
• Organuli: nucleo, RER e REL, mitocondri. Tutto ciò che è contenuto nel soma, ad eccezione del nucleo, è chiamato citoplasma.

Il nucleo è circondato da membrana nucleare, provvista di minuscoli fori (pori nucleari); diametro 5-10 micrometri. Contiene i cromosomi, che contengono il materiale genetico; essi sono formati da lunghi filamenti di DNA, che contiene il patrimonio genetico (che istruisce lo sviluppo del corpo); nella specie umana, tutte le cellule (tranne i gameti, cellule riproduttive) contengono 23 coppie di cromosomi, ciascuno dei quali contiene una doppia elica di DNA.

Il materiale genetico svolge il suo compito tramite brevi sequenze di DNA: i geni (contengono informazioni per assemblare una cellula, qui quella nervosa). I geni del neurone sono diversi dai geni usati per l’assemblaggio di una cellula di un altro organo o distretto corporeo. I geni svolgono la loro funzione perché permettono la sintesi di proteine, necessarie al funzionamento del neurone. L’attivazione dei geni ne comporta l’espressione (sintesi proteica), in tal senso, in proteine polimeri costituiti da amminoacidi.

La sintesi proteica avviene nel citoplasma, ma il DNA non lascia mai il nucleo: per trasportare il messaggio genetico nel citoplasma, durante la trascrizione genica, partendo da un singolo filamento della doppia elica del DNA, si genera una molecola complementare di mRNA (RNA messaggero), la cui composizione riflette, quindi, quella del gene usato per la sua sintesi; l’enzima che promuove la trascrizione del gene è detto RNA polimerasi. L’mRNA così trascritto deve poi lasciare il nucleo per raggiungere il citoplasma, dove avverrà la sintesi proteica.

Ad ogni modo, negli eucarioti, prima di abbandonare il nucleo deve subire un processo di maturazione (splicing: elimina introni, sequenze non codificanti, e salda tra di loro gli esoni), che porta da un pre-mRNA all’mRNA maturo. Quest’ultimo lascia il nucleo attraverso i porti nucleari per raggiungere il citoplasma; qui viene letto e avvia la sintesi proteica (traduzione genica).

Reticolo endoplasmatico rugoso

Costituito da una struttura membranosa posta in prossimità del nucleo. È detto “rugoso” perché è un sistema di vescicole e invaginazioni che contiene ribosomi, organelli che partecipano alla sintesi proteica (avviano la traduzione). Ha un ruolo nella sintesi di proteine, ma anche di lipidi che servono per creare la membrana cellulare e plasmatica. È qui che avviene la maggior parte della sintesi proteica: i ribosomi leggono il messaggio dell’mRNA, capendo come assemblare gli amminoacidi, che daranno vita alla proteina. L’mRNA scorre da un ribosoma a un altro (i ribosomi sono “operai di una catena di montaggio”), così che più ribosomi contemporaneamente operano durante la traduzione.

Le proteine sintetizzate dal RER sono destinate ad essere inserite nella membrana plasmatica. Invece, le proteine che non sono create dal RER, e quindi non vengono inserite in membrana (ma rimangono nel citoplasma), vengono sintetizzate sempre dai ribosomi liberi (non sono proprio liberi: l’mRNA passa da uno all’altro, e si crea una catena di ribosomi, detta poliribosoma o polisoma).

Reticolo endoplasmatico liscio

Si trova in prossimità della membrana; è costituito da membrane e organuli membranosi senza ribosomi associati. È ampiamente distribuito nella cellula nervosa e spesso si trova accanto al RER. Due funzioni:

• Struttura tridimensionale alle proteine, specificandone la funzione.
• Mantenimento delle concentrazioni di calcio (serve per funzioni vitali del neurone).

È ricco anche di cellule che producono ormoni steroidei, responsabili della detossificazione dai farmaci, ed è coinvolto nel metabolismo dei carboidrati e nella biogenesi di membrane cellulari.

Apparato di Golgi

Serie di membrane ripiegate, situato in prossimità del RE. Ha la funzione di rielaborare, selezionare ed esportare le proteine prodotte nella cellula (ma anche diversi prodotti cellulari). In particolare, rielabora e seleziona le proteine prodotte dal RER prima che queste raggiungano la loro destinazione finale. Seleziona anche le proteine da liberare nel neurone (che poi, tramite il trasporto, andranno nella parte del neurone relativa alla loro funzione specifica).

Mitocondri

Organelli della respirazione cellulare (fornisce energia al neurone sotto forma di ATP), che avviene tramite una serie di reazioni biochimiche nelle creste mitocondriali. I mitocondri, infatti, sono costituiti da due membrane: una esterna e una interna, ripiegata più volte a formare creste (dove sono presenti i complessi proteici dell’ultima fase della respirazione cellulare: la fosforilazione ossidativa) che delimitano uno spazio interno, la matrice.

Come avviene la respirazione cellulare? Il cibo, tramite i contenuti alimentari (proteine, grassi, carboidrati, tra i quali anzitutto il glucosio, ecc.), viene trasformato in acido piruvico, che entra nel mitocondrio e, a contatto con l’ossigeno, crea ATP (carburante, riserva energetica del neurone, sostiene molte reazioni biochimiche neuronali).

Citoscheletro

Impalcatura di molecole proteiche che garantisce la struttura tridimensionale, la forma del neurone e la disposizione degli organelli. È costituito da diversi filamenti, che hanno estensione, proprietà contrattili e funzioni diverse:

• Microtubuli: diametro 20 nm; cavi longitudinali orientati verso i neuriti, costituiti da polimeri di tubulina. Le molecole di tubulina, per stare assieme, necessitano di una proteina: MAP (proteina associata ai microtubuli), che ancore le molecole di tubulina tra loro e le ancora alla membrana del neurone, promuovendo una conformazione che dà stabilità ai microtubuli (processo di polimerizzazione). Si estendono sia nel soma cellulare sia nei prolungamenti: sono importanti per garantire il normale sviluppo dei prolungamenti e il mantenimento della loro forma, oltre a favorire i meccanismi di trasporto intracellulare (assonale).
• Microfilamenti: diametro 3-5 nm; cavi con proprietà contrattili formati da molecole di actina (actina, infatti, è importante per la contrazione del muscolo), avvolte a formare una doppia elica. Sono coinvolti nella modificazione della forma della cellula (infatti sono strettamente collegati alla membrana della cellula tramite proteine fibrose); controllano trasporto di molecole e organuli nel soma e nei prolungamenti neuronali.
• Filamenti intermedi (neurofilamenti): 8-12 nm; sono i filamenti più abbondanti, formati da fibrille di citocheratina avvolte a spirale e intrecciate. A differenza dei microtubuli, sono molecole stabili che formano un'impalcatura che dà sostegno all’intera cellula (vero e proprio scheletro).

Funzioni del citoscheletro:

• Da forma e resistenza meccanica alla cellula raccordandosi con la membrana plasmatica.
• Mantiene ogni organello citoplasmatico nella sua giusta posizione.
• Alcuni elementi del citoscheletro fungono da vie di trasporto di molecole organiche e organuli, che possono quindi spostarsi nel neurone.
• In alcuni processi neurodegenerativi (come le demenze, es. Alzheimer) gli elementi del citoscheletro proliferano fino a far morire la cellula e poi rimangono a lungo dopo la morte della cellula. Nella demenza d’Alzheimer, per esempio, una proteina MAP, la proteina tau, si stacca dai microtubuli, si deposita nel soma neuronale (generando grovigli neurofibrillari), causando così avvizzimento dei neuroni. Si tratta di una delle caratteristiche microscopiche della malattia d’Alzheimer e di altre demenze, in cui il neurone avvizzito non comunica più con gli altri (portando all’originarsi di disfunzioni cognitive).

Assone

Struttura specifica dei neuroni, deputata alla trasmissione dell’informazione nel sistema nervoso (output); può raggiungere anche lunghezze maggiori di 1 m e ha diametro che varia da 1 a 25 micrometri, a seconda del tipo e delle dimensioni del neurone. Il diametro correla con la velocità di trasmissione delle informazioni elettriche. Ogni neurone ha un solo assone, che origina dal soma da un punto detto cono di emergenza. È presente solo nel neurone e serve a trasmettere segnali di natura elettrica, i potenziali d’azione (condotti nell’assone a velocità variabile tra 1 e 100 m/s; per aumentare la velocità è rivestito da mielina, costituita da cellule gliali).

Durante il suo decorso può presentare alcune diramazioni (collaterali assonici) e, in prossimità della sua terminazione (terminazione assonica), si suddivide in rami sottili che prendono contatto con altri neuroni, formando strutture specializzate dette sinapsi. La sinapsi avviene in rigonfiamenti assonici, localizzati nel terminale, che prendono il nome di bottoni sinaptici; questo tipo di comunicazione è detta innervazione. Ogni sinapsi è costituita da una porzione presinaptica (terminazione assonica) e una porzione postsinaptica (regione del neurone con cui l’assone prende contatto, che può corrispondere al soma o, più frequentemente, ai dendriti).