Appunti di neuroscienze utilissimi per studiare e per superare l'esame!

Neuroscienze

Anatomia del cervello da studiare a parte

Storia delle neuroscienze

La parola “cervello” compare per la prima volta in un geroglifico del diciassettesimo secolo scoperto da Edwin Smith, egittologo di fine 1800. L’evoluzione del più rudimentale concetto di mente umana è stata storicamente accompagnata dallo sviluppo di influenti teorie filosofiche e scientifiche. Secondo le ideologie della prima filosofia medica relativa all’antica Grecia rappresentata da Alcmeone, Ippocrate (fondatore del giuramento che per la prima volta ha regolato il rapporto medico-paziente) e Platone, la mente avrebbe dovuto essere considerata come la sede delle emozioni e dell’anima. Aristotele deputava invece all’organo del cervello il compito di raffreddare il sangue del corpo al fine di contenere il temperamento a favore della razionalità, riconoscendo il cuore come primaria fonte di intelligenza.

Durante il periodo risalente alla presenza storica dell’impero romano, Galeno effettuò una divisione ideologica fra encefalo (di natura più tenero e sede delle sensazioni) e cervelletto (di natura più denso e coordinatore del movimento fisico). In quei tempi lo studio dell’anatomia celebrale si basava su di una concezione fluido-meccanica (secondo le teorie relative all’epoca dell’impero il cervello era composto da due cavità ventricolari che spingevano il pneuma psichico nei nervi motori) la quale evoluzione (nel rinascimento Leonardo considerava il cervello diviso in tre cavità di diversa funzione, poi in seguito ha elaborato teorie anatomiche più vicine a quelle della neuroscienza moderna. In seguito, nel 1547, Andrea Vesalio pubblicò il “De humani corporis fabrica”, considerato il primo manuale di anatomia mai concepito) ha portato alla formulazione della nota teoria fluido-meccanica di Cartesio.

Fu il fisiologo Luigi Galvani che, nella metà del 1700, elaborò una teoria che attribuiva alla mente un compito relativo ad elettricità biologica e non più a fluidità e meccanica, introducendo il concetto di nervi operanti tramite stimoli elettrici. Nel 1800 Charles Bell ribadì una distinzione strutturale e funzionale fra nervi motori e sensoriali, la quale distinzione fornì una teoria ampiamente ampliata poco dopo da Joseph Gall, il quale considerò l’organo celebrale come diviso in molteplici dipartimenti che avrebbero dovuto svolgere svariate funzioni in modo più o meno specializzato a seconda dei soggetti, ad esempio una funzione sarebbe stata il riconoscimento dei colori; l’atto della venerazione, del linguaggio e via dicendo.

In questo modo il neuroscienziato avrebbe potuto persino delineare le predisposizioni psichiche dei suoi pazienti. Nella metà del 1850, un altro neurologo di nome Paul Broca interpretò in maniera brillante un caso anomalo che aveva sperimentato nella sua carriera. Un suo paziente aveva perso la capacità di comunicare verbalmente a seguito di una lesione in una specifica area del cervello. Dal momento che il suddetto paziente (al quale era stato dato l’ironico appellativo di “Tan Tan”) riusciva a comprendere le parole del suo interlocutore e ad effettuare molte delle naturali funzioni celebrali, il cervello doveva aver subito il danno in un’area interessata all’atto della comunicazione. Si attribuisce a questa storica deduzione la nascita dei principi di neuroscienza moderna, delineati in seguito dalla rivoluzionaria teoria dell’evoluzione di Charles Darwin, il quale operò una più profonda diversificazione delle aree del cervello, specificandone il suo sviluppo preferenziale (neocorteccia e cortecce associative) e volumetrico (più il cervello di un organismo è grande e complesso, più quell’organismo è adattabile all’ambiente in cui vive).

Riguardo al riconoscimento di un centro cerebrale fondamentale, intorno al 1870 vi erano due teorie in contrapposizione fra loro: Camillo Golgi riteneva che la struttura celebrale fosse formata da un reticolo di neutriti fusi, i quali rappresentavano un’eccezione alla comune teoria cellulare. Gli studi microscopici del 1900, però, diedero ragione alla teoria esposta da Ramon y Cajal, secondo la quale i neutriti comunicano per contatto, ma non per continuità reticolare.

Dunque, le neuroscienze moderne, i quali fondamenti ideologici si basano sulla prescritta evoluzione storica, si dividono nelle componenti di:

• Neuroscienze molecolari: studiano come le molecole comunicano fra loro ed eseguono le funzioni di controllo celebrale.
• Neuroscienze cellulari: studiano i vari tipi di neuroni e le loro funzioni.
• Neuroscienze dei sistemi: studiano le strutture e le funzioni dei circuiti neuronali.
• Neuroscienze comportamentali e cognitive: studiano il modo in cui il cervello controlla il corpo e crea la mente.

Evoluzione storica ed organizzazione del sistema nervoso

L’evoluzione del sistema nervoso negli esseri viventi è storicamente avvenuto a partire dalla formazione di invertebrati monocellulari e pluricellulari, i quali, costretti dall’adattamento a specializzazioni in varie funzioni celebrali, si sono evoluti dapprima in spugne (ancora senza sistema nervoso), poi in hydra e meduse: le prime a possedere una rete nervosa all’interno del corpo fisico. Nelle meduse, infatti, recettori sensoriali raccolgono stimoli dall’esterno e trasmettono segnali a organi funzionali.

In seguito, con la formazione dei platelminti (vermi piatti), le cellule nervose si sono raggruppate nei gangli e nel cordone nervoso. Un primo precursore dell’encefalo, invece, si ha con la successiva nascita di specie di molluschi e insetti, le quali hanno subito diversificazioni sensoriali che hanno portato, ad esempio, alla presenza di gangli anche nel cordone nervoso.

In seguito gli organismi vertebrati hanno sviluppato completamenti fondamentali, quali la formazione dell’encefalo; la creazione del midollo spinale all’interno delle cavità ossee; l’aumento del volume del sistema nervoso e l’accrescimento della sua complessità strutturale e convettiva e del suo sviluppo preferenziale. Per ultimi, i mammiferi hanno sviluppato strutture associative ed altre strutture, come ad esempio l’amigdala, per creare una rappresentazione unitaria del mondo ed attribuire significati emotivi agli stimoli sensoriali.

Il meccanismo di funzionamento dei neuroni non è cambiato nel corso dell’evoluzione, tuttavia nello sviluppo ontogenetico degli esseri viventi si è verificato un progressivo aumento delle capacità dei neuroni di formare reti neurali sempre più sofisticate e specializzate nell’eseguire funzioni sempre più complesse. Il sistema nervoso è organizzato in due tipi di elementi cellulari principali:

• Le cellule gliali (da glia = colla) sono più numerose delle cellule nervose (neuroni), ma non sono coinvolte nelle interazioni sinaptiche bioelettriche. Hanno la funzione preminente di mantenere nel sistema nervoso la stabilità di condizioni favorevoli al positivo funzionamento del lavoro celebrale. Di conseguenza: sostengono le strutture del sistema nervoso; modulano la velocità di propagazione del segnale e le attività sinaptiche; regolano il metabolismo dei neuroni (fornire sostanze nutritive ed eliminare sostanze di scarto, talvolta con funzioni fagocitarie) e la loro differenziazione durante lo sviluppo embrionale e postnatale; controllano la riassunzione dei neurotrasmettitori; eseguono la captazione e lo smaltimento molecolare.

Tipi di cellule gliali

• Astrociti: macrociglia, posseggono una forma simile ad una stella e sono il tipo di cellule gliali più numerose; regolano l’ambiente del sistema nervoso attraverso l’assorbimento e la liberazione di sostanze chimiche. Tramite la barriera ematoencefalica (gli astrociti contribuiscono alla sua formazione, al fine di proteggere il tessuto cerebrale dagli elementi nocivi presenti nel sangue, pur permettendo il passaggio di sostanze necessarie alle funzioni metaboliche; è composta da cellule endoteliali disposte in un endotelio continuo non finestrato. Questa compattezza, costituita da tight junction fra le cellule, impedisce il passaggio di sostanze idrofile e/o con grande peso molecolare dal flusso sanguigno ai neuroni, con una capacità di filtraggio molto selettiva), gli astrociti regolano il passaggio sangue-neuroni. Grazie alle loro funzioni, il cervello può monitorare l’inserimento di ormoni e sostanze chimiche nel sangue.
• Oligodendrociti (sistema nervoso centrale) e cellule di Schwann (sn periferico): macrociglia, rivestono gli assoni tramite la guaina mielinica, patina composta da mielina (composto lipidico di colore giallastro con strati bimolecolari intervallati da proteine, negli oligodendrociti una parte della membrana cellulare protrude e va ad avvolgere un pezzetto di assone, altre parti avvolgono altri tratti fino al completamento del processo; nelle cellule di S. prima che si formi la guaina gli assoni dei nervi decorrono all’interno di un canale di cellule, disposte in fila con interruzioni che diverranno i nodi di Ranvier, la membrana cellulare di un’unica cellula avvolge il pezzo di assone vicino cui si trova, formando una doppia membrana che si spiralizza compattandosi, intanto il citoplasma della cellula viene spremuto all’esterno per formare la guaina definitiva). Negli oligodendrociti, la guaina mielinica riveste più assoni, mentre nelle cellule di Schwann essa è limitata a rivestire un solo assone alla volta.
• Cellule microgliali: microciglia, derivano dalle cellule staminali e sono chiamate anche “cellule spazzino”. Rimuovono frammenti cellulari perché dannosi o bisognosi di ricambio e rilasciano molecole segnale per modulare le operazioni seguenti ad un’infiammazione locale. Di conseguenza, influenzano la morte (apoptosi) o la sopravvivenza cellulare.

Neuroni

I neuroni sono gli organismi più importanti per le funzioni del sistema nervoso. Sono unità cellulari la quale struttura tridimensionale è mantenuta dalla presenza del citoscheletro (composto da microtubuli, neurofilamenti e microfilamenti composti da molecole di actina; nell’Alzheimer è danneggiato da depositi situati all’interno e all’esterno della cellula). Nonostante dai vari neuroni si generino segnali bioelettrici diversi, la struttura di ogni neurone presenta dei principali tratti comuni.

• La membrana neuronale ricopre tutte le parti del neurone, al suo interno si trova il citoplasma, composto da citosol e organuli membranosi, che sono distribuiti in maniera selettiva e comprendono tutti gli organelli necessari per il metabolismo cellulare. Il citoplasma continua nell’albero dendritico senza separazione funzionale alcuna (qui sono presenti tutti i medesimi organelli, anche se la loro concentrazione diminuisce leggermente man mano che ci si allontana dal soma), mentre gli organelli sedi della sintesi proteica non sono presenti sull’assone, in quanto si arrestano al cono di emergenza (base).
• I dendriti sono ramificazioni nervose che recepiscono gli stimoli provenienti dall’ambiente esterno e dalle cellule del sistema e le traducono in segnali da inviare al soma. Il numero di informazioni che ricevono dipendono dal numero di connessioni ramificate, di conseguenza possono presentare spine dendritiche che aumentano la loro superficie al fine di ricevere un maggior numero di informazioni.
• Il soma è la composizione centrale che contiene il nucleo del neurone, sede del corpo cellulare e dell’apparato energetico (mitocondri e ribosomi all’interno della membrana plasmatica…) dell’unità cellulare. Siccome le cellule neuronali adulte non si duplicano più, il loro DNA è tendenzialmente meno compatto di quello della maggioranza delle altre cellule. Questo permette una maggiore espressione genica, molto maggiore di qualunque altra cellula, che si ritiene sia correlata anche all’elevata gamma di tipi cellulari tra i neuroni. Il soma è l’unica parte del neurone nella quale avviene la sintesi delle proteine.
• L’assone è il conduttore dell’impulso nervoso che, tramite potenziale d’azione, giunge alle terminazioni sinaptiche. Il processo di mielinizzazione operato da oligodendrociti e cellule di Schwann induce ad un’accelerazione della conduttanza dei potenziali d’azione, in quanto permette alla corrente di fluire passivamente lungo buona parte dell’assone mielinizzato. Quando un assone è rivestito di mielina, infatti, gli ioni che lo attraversano fluiscono senza essere soggetti a scambi con l’esterno (velocità tremila volte superiore), se non lungo i nodi di Ranvier, i quali interrompono brevemente il rivestimento mielinico in modo da poter permettere le fuoriuscite di corrente necessarie per la generazione dei potenziali d’azione. Se la guaina mielinica è danneggiata, come accade nella sindrome autoimmune della sclerosi multipla, la conduzione del neurone viene danneggiata, portando ad un notevole rallentamento delle azioni celebrali, o, nei casi più gravi, all’autosoppressione di alcuni processi del sistema nervoso. Il trasporto neuronale è regolato dal citoscheletro e può avvenire tramite trasporto assonico [trasporto veloce, circa 50 cm al giorno, utile per trasportare molecole indispensabili alla fisiologia del neurone. Può essere sia anterogrado (avente una direzione che va dal corpo cellulare all’assone, trasporto attivo consumatore di ATP, funziona tramite molecole motrici che determinano il movimento legandosi al microtubulo e all’organulo, spostandolo lungo il microtubulo), sia retrogrado (con una direzione che va dall’assone al corpo cellulare; utile a trasportare materiale danneggiato o da distruggere; più lento dell’anterogrado e mosso da molecole motrici)] e tramite flusso asso-plasmatico (trasporto lento, circa 1 mm al giorno, utile a portare a destinazione proteine del citosol e atte alla ricostituzione del citoscheletro nel tempo; può essere solo anterogrado e funziona tramite scorrimento dei microtubuli gli uni sugli altri). L’assone è sempre unico, ma al suo terminale, chiamato bottone sinaptico, si ramifica al fine di formare le sinapsi con l’elemento bersaglio.
• Le terminazioni sinaptiche sono estroflessioni nervose che trasmettono l’impulso al neurone successivo o all’organo effettore.

Esistono circa 100 miliardi di neuroni, e, nonostante si possano dividere in più di 10000 tipi, Cajal introdusse la classificazione dei neuroni basata su caratteristiche fisiche:

• In base al numero di prolungamenti che prendono origine dal corpo cellulare:
  • Cellule unipolari: classe più semplice, un solo accesso primario fornito di più ramificazioni: una è l’assone, le altre costituiscono l’albero dendritico.
  • Cellule bipolari: tipicamente neuroni sensoriali.
  • Cellule pseudo-unipolari: ne fanno parte i neuroni ad alfa-T del midollo spinale.
  • Cellule multipolari: unico assone e una o più branche dendritiche che possono nascere da ogni parte del corpo cellulare. Forme molto variabili per grandezza e complessità, più l’albero dendritico è sviluppato, più il campo recettoriale della cellula sarà grande.
• In base alle funzioni svolte:
  • Neuroni sensoriali
  • Neuroni motori (motoneuroni)
  • Interneuroni: funzione di integrazione delle info sensoriali per formare rappresentazioni complesse.
• A seconda della loro capacità di inviare il proprio assone ad altre strutture:
  • Neuroni a proiezione
  • Interneuroni locali

I circuiti neuronali e i diversi tipi di segnali elettrici

I circuiti neuronali sono interconnessioni fra neuroni con specifiche funzioni. Le connessioni sinaptiche che definiscono un circuito sono chiamate con il nome di neuropili. Il compito dei circuiti è quello di elaborare specifici tipi di informazioni derivanti da stimoli elettrici, svolgendo dei compiti che fungono da base per i fenomeni di sensazione, percezione e comportamento. Le cellule nervose che trasportano i segnali dalla periferia verso il centro, ovvero verso il cervello o il midollo spinale, sono chiamate neuroni afferenti. Le cellule nervose che trasportano il segnale fuori dal centro nervoso sono dette neuroni efferenti. I neuroni comunicano attraverso variazioni della loro attività elettrica, le quali sono determinate dalle proprietà della membrana cellulare, che è formata da 2 strati fosfolipidici, con teste idrofile verso l’esterno e code idrofobe verso l’interno della stratificazione. Tipicamente la membrana è permeabile esclusivamente a ioni di carica neutra (ioni non polari, perché quelli polari tendono ad attrarsi o respingersi; es. O₂; CO₂…) e molecole di piccole dimensioni. Le altre sostanze, per passare attraverso la membrana, hanno bisogno di strutture specializzate formate da proteine di membrana.

• Le pompe metaboliche o trasportatori ionici si legano agli ioni formando complessi utili al trasporto attivo degli gli ioni contro il gradiente di concentrazione, in modo da formare stabili differenze di concentrazione ionica ai due lati della membrana. Al contrario dei canali ionici, questi trasportatori non possono avere natura passiva, in quanto il loro processo implica più lavoro; ed oltre a necessitare di più tempo (diversi millisecondi contro un millisecondo per i canali ionici), generalmente richiedono energia. I trasportatori che utilizzano energia derivata dall’idrolisi dell’ATP per effettuare le mutazioni conformazionali atte al trasporto degli ioni sono chiamati pompe ATPasiche. La pompa ATPasica Na⁺/K⁺ è responsabile del 20-40 % del consumo totale dell’energia celebrale.