Appunti di fondamenti anatomo fisiologici dell' attività psichica

Le neuroscienze oggi

Cosa sono?

Le neuroscienze (o neurobiologia) sono l'insieme degli studi scientificamente condotti sul sistema nervoso. Sono un campo interdisciplinare che collabora con altri ambiti di studio quali chimica, scienze cognitive, informatica, ingegneria, linguistica, psicologia, sociologia, matematica, medicina e filosofia. L'ambito delle neuroscienze si è ampliato per includere diversi approcci utilizzati per studiare gli aspetti molecolari, cellulari, dello sviluppo, strutturali, funzionali, evoluzionistici, cognitivi, computazionali e medici del sistema nervoso. Inoltre, si sono ampliate anche le tecniche utilizzate dai neuroscienziati, che sono attualmente in grado di studiare dagli aspetti molecolari delle singole cellule nervose fino al funzionamento complessivo del cervello tramite tecniche di neuroimaging funzionale. Il cervello umano è definito il pezzo di materia più complesso dell'universo, per questo è importante un approccio interdisciplinare.

Branche delle neuroscienze

Suddivise in base al livello di analisi:

• Molecolare:
  • Neurobiologica molecolare: utilizza materiale genetico neuronale per comprendere la struttura e la funzione delle molecole del cervello.
  • Neurochimica: studia la chimica del sistema nervoso.
• Cellulare:
  • Neuroanatomia: studia la struttura del sistema nervoso.
  • Neurobiologia dello sviluppo: analizza lo sviluppo e la maturazione del cervello.
  • Neuroscienza computazionale: utilizza il computer per costruire modelli di funzionamento del cervello.
• Sistemica:
  • Neuropsicologia dei sistemi cognitivi: studia come le informazioni sensoriali formano la percezione, come elaborano lo spazio ed eseguono i movimenti.
• Comportamentale:
  • Neuroetologia: studia le basi neurali dei comportamenti animali specie-specifici in ambiente naturale.
  • Neurofarmacologia: esamina gli effetti dei farmaci sul sistema nervoso.
  • Psicobiologia: studia le basi biologiche del comportamento.
• Cognitivo:
  • Psicofisiologia: misura quantitativamente le abilità percettive.
  • Neurofisiologia: misura l'attività elettrica del sistema nervoso.
  • Neuropsicologia: studia le basi neurali del comportamento umano.
  • Psicologia cognitiva: studia in che modo l'attività del cervello crea la mente.

Metodi di studio

• Invasivi su animali (e.g. cavie, primati):
  • Misurazione diretta dell'attività cerebrale (elettrodi sul cervello)
  • Inattivazione di aree cerebrali (metodi di lesione in aree del cervello)
• Sull'uomo non invasivi:
  • Misurazione dell'attività cerebrale, e.g. immagini strutturali (come è fatto il cervello): radiografia con contrasto, tomografia, risonanza magnetica, o immagini funzionali (quale area si attiva per compiere un'azione): risonanza magnetica funzionale, tomografia ad emissione di positroni.
  • Disfunzione aree cerebrali (e.g. lesioni virtuali che inattivano temporaneamente un'area del cervello, metodo neuropsicologico)
  • Metodi comportamentali: metodi di indagine della specializzazione emisferica.

Neuropsicologia

Indagine sistematica dei deficit senso-motori e cognitivi conseguenti a lesione cerebrale a fini:

• Conoscitivi: l'osservazione di un sistema danneggiato fornisce informazioni sui meccanismi cognitivi normali.
• Clinici: diagnosi e riabilitazione.

Neurobiologia

Neurone e cellule gliali

Il sistema nervoso è costituito da 2 principali classi di cellule:

• Neuroni: sono cellule caratterizzate dalla capacità di dare origine e trasmettere segnali di natura elettrica all'interno del sistema nervoso. Per questa loro proprietà, condivisa con le cellule muscolari, sono dette cellule eccitabili. I neuroni sono connessi tra loro a formare 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 (muscoli scheletrici). Sono di diversa forma e dimensione in base alla loro funzione. Sono circa 100 miliardi e hanno un diametro di 0,01-0,05 mm.
• Cellule gliali: cellule che circondano e sostengono l'attività dei neuroni e sono circa 10/50 volte più numerosi. I principali sono:
  • Astrociti
  • Oligodendrociti
  • Microglia

Il ritardo che c'è stato nello studio dei neuroni è dovuto a motivi tecnologici → non c'erano tecniche per ingrandire i neuroni, si è dovuto aspettare l'arrivo del microscopio elettronico. Un altro problema inoltre era che per utilizzare il microscopio il cervello andava tagliato a fettine, però ai tempi non si poteva a causa della sua consistenza gelatinosa. Dopo vari anni si è scoperta l'esistenza di un composto, il formaldeide, che permette al cervello di indurirsi → usando uno strumento detto microtono e così possibile affettarlo a fettine sottilissime e quindi studiarlo. Lo studio della struttura dei tessuti mediante microscopia è detto istologia.

Al microscopio ottico inizialmente le diverse componenti del tessuto nervoso erano difficilmente identificabili, finché non sono stati introdotti i metodi di colorazione, che permettono di colorare le cellule del cervello:

• Nissl scopre il colorante violetto cresyl → consente di distinguere neuroni e glia e fornisce indicazioni sulla citoarchitettura (disposizione dei neuroni). Non permette però di vedere come erano formati i neuroni.
• Golgi scopre il colorante cromato d'argento → permette di colorare il tessuto cerebrale in maniera più definita, permettendo l'identificazione del soma neuronale e di tutti i suoi prolungamenti.

Golgi è diventato famoso perché grazie al suo metodo di colorazione ha studiato in dettaglio i neuroni e ha proposto la teoria reticolare, che si basa su due presupposti di base:

1. Il cervello è composto da neuroni.
2. I neuroni sono uniti attraverso gli assoni come in una rete (sincizio).

Questa teoria è stata contrastata da Ramon y Cajal che, utilizzando sempre il colorante di Golgi, si rende conto che i neuroni non sono connessi in modo continuativo (Golgi), ma comunicano per contatto. Un neurone è separato da un altro neurone da uno spazio piccolissimo, detto contatto sinaptico → teoria del neurone.

Questa teoria prevede quattro postulati:

1. Il neurone è un'unità anatomica a sé stante.
2. Il neurone è un'unità funzionale → è influenzato solo dai neuroni con cui entra in contatto.
3. Il neurone è un'unità genetica → tutti i neuroni originano da un'unica cellula progenitrice (neuroblasto). Quando i neuroblasti diventano neuroni, ognuno sviluppa una caratteristica chimica e strutturale diversa che fa sì che neuroni simili tra loro entrino in contatto, e neuroni diversi invece non comunicano.
4. Il neurone è un'unità trofica → il taglio dell'assone fa degenerare il neurone sia a valle (degenerazione anterograda) sia a monte (degenerazione retrograda). La degenerazione non si estende oltre la sinapsi.

Anatomia del neurone

I neuroni sono formati da un corpo cellulare, soma, che rappresenta il centro metabolico e genetico della cellula, e dai prolungamenti (neuriti) che da esso si dipartono → dendriti e assone. Soma e prolungamenti sono circondati dalla membrana plasmatica, che racchiude il citoplasma (fluido che riempie la cellula) e gli organuli in esso contenuti. Nel soma cellulare si trova il nucleo, che contiene il patrimonio genetico della cellula. La forma tridimensionale del neurone è determinata dalla presenza di un'impalcatura di sostegno, il citoscheletro.

Soma

Parte centrale del neurone. All'interno troviamo:

• Citosol: soluzione salina ricca di potassio (K+)
• Organuli: apparato di Golgi, reticolo endoplasmatico liscio e rugoso, nucleo, mitocondri.

Per convenzione tutto, eccetto il nucleo, è chiamato citoplasma.

Nucleo

Il nucleo è una struttura sferica, situata nel soma neuronale e circondato dalla membrana nucleare, una struttura lipidica provvista di fori simile a quella plasmatica. Nel nucleo si trovano i cromosomi, formati da lunghi filamenti di DNA, che contiene il patrimonio genetico. L'attivazione di specifiche porzioni di DNA, i geni, porta alla sintesi delle proteine → questo processo inizia dentro al nucleo con la trascrizione genica, nella quale i geni vengono utilizzati come uno "stampo" per sintetizzare una molecola complementare di mRNA, la cui composizione riflette quella del gene utilizzato per la sua sintesi. L'enzima che promuove la trascrizione è chiamato RNA polimerasi e il processo ha inizio in regioni dette promotori e continua fino al codone di stop. Attraverso il processo di splicing vengono tagliate delle parti dell'mRNA non codificati, gli introni, e vengono cucite insieme invece le parti codificanti, gli esoni. L'mRNA trascritto esce dal nucleo attraverso i fori della membrana nucleare e va nel citoplasma, dove avviene la sintesi proteica (traduzione).

Organuli citoplasmatici

• Reticolo endoplasmatico rugoso: organulo costituito da una membrana, posta in prossimità del nucleo, in cui sono inseriti i ribosomi, piccoli corpuscoli globulari. È un sistema costituito inoltre da vescicole, sacchetti appiattiti e tubuli. I ribosomi promuovono la sintesi proteica, utilizzando come guida l'mRNA proveniente dal nucleo. Esso "scorre" sui ribosomi i quali, sulla base della composizione della molecola di mRNA, assemblano una catena di amminoacidi e creano una specifica proteina. Le proteine sintetizzate sul RER sono destinate ad essere inserite all'interno della membrana plasmatica. Non tutti i ribosomi sono legati al RER, molti altri sono presenti nel citoplasma, detti ribosomi liberi, e spesso si trovano associati a catene dette poliribosomi (catene di filamenti di mRNA con ribosomi attaccati). Le proteine sintetizzate dai poliribosomi sono destinate a rimanere nel citoplasma.
• Reticolo endoplasmatico liscio: è costituito da membrane senza ribosomi attaccati. È ampiamente distribuito nella cellula nervosa e spesso si trova accanto al RER. Svolge due funzioni principali:
  1. Dona una struttura tridimensionale alla proteina
  2. Mantiene in equilibrio le concentrazioni di calcio
  È anche ricco di cellule che producono ormoni steroidei, responsabili della detossificazione da farmaci, metabolismo dei carboidrati e biogenesi (creazione) delle membrane cellulari.
• Apparato di Golgi: è costituito da un insieme di membrane situate in prossimità del reticolo endoplasmatico e ha la funzione di modificare le molecole prodotte all'interno della cellula. In particolare, rielabora e seleziona le molecole proteiche prodotte dal reticolo endoplasmatico rugoso prima che queste raggiungano la loro destinazione finale. Inoltre, seleziona le proteine da liberare nel neurone.
• Mitocondri: organuli molto numerosi presenti all'interno del soma neuronale. Sono formati da una membrana esterna e una interna ripiegata più volte a formare delle creste che delimitano uno spazio interno, chiamato matrice mitocondriale. Sono la sede della respirazione cellulare, attraverso la quale, in presenza di ossigeno, l'acido piruvico (derivato dal metabolismo di proteine, lipidi e carboidrati introdotti con la dieta) viene trasformato in molecole di ATP. Queste ultime presentano legami ad alto contenuto energetico e costituiscono quindi la riserva energetica della cellula.

Citoscheletro

Il citoscheletro è un'impalcatura di molecole proteiche che svolge la funzione di sostegno per la cellula, dandole forma e resistenza meccanica, controlla la distribuzione degli organuli all'interno del citoplasma e costituisce delle vie di trasporto. Non è una struttura statica, ma un insieme di elementi che interagiscono e mutano la loro conformazione in maniera dinamica, a seconda delle esigenze funzionali della cellula. È formato da tre diversi filamenti che ne determinano la forma:

1. Microtubuli (20 nm): costituiti da molecole globulari di tubulina, che formano filamenti assemblati in forma tubulare. Si estendono sia nel soma cellulare, sia nei prolungamenti → sono importanti per mantenere il normale sviluppo dei prolungamenti e il mantenimento della loro forma, oltre a favorire i meccanismi di trasporto intracellulare (trasporto assonale). Il livello di aggregazione delle molecole di tubulina è controllato dalle proteine associate ai microtubuli (MAP), in grado di promuovere una conformazione che rende i microtubuli stabili (polimerizzazione). Una di queste proteine, la proteina tau, risulta alterata nei pazienti malati di Alzheimer → questa proteina si accumula nel soma neuronale, contribuendo alla formazione di ammassi neurofibrillari, che rappresentano una delle caratteristiche alterazioni microscopiche della malattia di Alzheimer.
2. Neurofilamenti (10 nm): filamenti più abbondanti, negli assoni sono circa 10 volte più abbondanti dei microtubuli. Sono formati da sub-unità costituite da triplette di sequenze di lunghe strutture proteiche, avvolte a spirale ed intrecciate. A differenza dei microtubuli, sono molecole molto stabili e formano un'impalcatura di sostegno all'interno della cellula (funzione di sostegno dei neuroni).
3. Microfilamenti (5 nm): catene di molecole globulari di actina, con proprietà contrattili, avvolte a formare una doppia elica. Si suppone che abbiano un ruolo nei processi che portano alla modificazione della forma della cellula → sono strettamente associati alla membrana plasmatica, cui sono collegati da una rete di proteine fibrose. Insieme ai microtubuli, essi controllano il trasporto di molecole e organuli all'interno del soma e dei prolungamenti neuronali.

Funzioni del citoscheletro

• Dà forma e resistenza meccanica alla cellula raccordandosi con la membrana plasmatica.
• Mantiene nella giusta posizione gli organuli citoplasmatici.
• Alcuni elementi del citoscheletro fungono da vie di trasporto di molecole e organuli.

Assone

L'assone è il più grosso e lungo dei neuriti ed è una struttura specifica deputata alla trasmissione dell'informazione all'interno del sistema nervoso. Ogni neurone ha un unico assone che origina dal soma in un punto chiamato cono di emergenza (o integrazione). Ha un diametro variabile, che correla con la velocità di trasmissione delle informazioni. Lungo il suo decorso l'assone può presentare alcune diramazioni (collaterali assoniche) e in prossimità della sua terminazione si suddivide in rami sottili, che prendono contatto con altri neuroni formando strutture specializzate chiamate sinapsi (avviene sul bottone sinaptico: rigonfiamento finale dell'assone). Questo tipo di comunicazione è definita innervazione. In particolare, la sinapsi è formata da una porzione presinaptica, costituita dalla parte terminale dell'assone (terminazione assonica) e da una porzione postsinaptica, rappresentata dalla regione del neurone con cui l'assone prende contatto, che può corrispondere al soma o ai dendriti. Tra le due porzioni, pre e postsinaptica, c'è la fessura sinaptica, che separa le due cellule. Sul terminale assonico non sono presenti ribosomi, non c'è quindi sintesi proteica, le proteine che servono per il suo funzionamento sono prodotte nel soma e poi trasportate nell'assone. Ci sono invece moltissimi mitocondri, perché la sinapsi richiede molta energia. Inoltre, ci sono le vescicole sinaptiche, piccole sfere membranose, che contengono molecole di neurotrasmettitore. In particolare, queste vescicole sono accumulate in corrispondenza di specifiche regioni della membrana presinaptica, specializzate per il rilascio del neurotrasmettitore, chiamate zone attive.

Trasporto assonico/assoplasmatico

Consiste nel trasporto di proteine, racchiuse in vescicole, lungo i microtubuli. Le sostanze che devono essere spostate lungo l'assone usufruiscono di due diverse modalità di trasporto:

1. Trasporto assonico rapido: opera a velocità di 400-700 mm al giorno. Consente lo spostamento di materiale racchiuso all'interno di vescicole sia dal corpo cellulare verso le terminazioni assoniche (trasporto anterogrado: va nella stessa direzione del potenziale d'azione), sia in direzione opposta, dalle terminazioni verso il corpo cellulare (trasporto retrogrado: direzione opposta rispetto al potenziale d'azione). Le vescicole si muovono scorrendo lungo microtubuli (come se fossero binari), trasportate da proteine che consumano ATP → chinesine, per il trasporto anterogrado e dineine per il retrogrado. L'interruzione di questo flusso determina la degenerazione walleriana → morte dell'assone.
2. Trasporto assonico lento: opera a velocità di 2.5 mm al giorno. Riguarda lo spostamento di proteine del citoscheletro, che vengono trasportate in direzione anterograda dal corpo cellulare verso le terminazioni assoniche. Il trasporto è rapido per le piccole molecole o proteine, quello lento invece trasporta enzimi e macromolecole. Il trasporto retrogrado rapido può essere utilizzato dai virus per infettare i neuroni e penetrare la barriera emato-encefalica (e.g. virus herpes). Inoltre, il retrogrado viene anche utilizzato dai ricercatori per tracciare le connessioni tra neuroni.

Dendriti

Sono le strutture neuronali deputate al ricevimento dei messaggi inviati dagli altri neuroni (hanno dei recettori sulla membrana). L'insieme dei dendriti di un neurone e delle loro ramificazioni costituisce l'albero dendritico. La superficie esterna dei dendriti è ricoperta dalle sinapsi formate dalle terminazioni assoniche di altri neuroni. In alcuni tipi neuronali dalla superficie del dendrite emergono piccole protuberanze che contengono numerosi microfilamenti. Queste formazioni, chiamate spine dendritiche, sono strutture specializzate, siti di contatto sinaptico su ciascuno dei quali attivano 1 o 2 terminazioni assoniche. La presenza delle spine dendritiche permette d'incrementare la superficie del dendrite disponibile per la formazione di sinapsi. Le spine fungono anche...