Appunti completi di Psicobiologia, prof. Bisazza, libri consigliati "Neuroscienze: esplorando il cervello" (2016) di Connors e Paradiso, e "Evoluzione e biodiversità" (2016) di Berg e Martin

PSICOBIOLOGIA

LE CELLULE DEL SISTEMA NERVOSO

Il Sistema Nervoso è suddiviso in Sistema Nervoso Centrale (SNC), costituito dall’encefalo (chiamato più

comunemente cervello) e dal midollo spinale ed è racchiuso entro le ossa (del cranio e della colonna

vertebrale). e Sistema Nervoso Periferico (SNP), cioè la porzione che si trova all’esterno del cranio e della

colonna vertebrale ed è costituito principalmente dai nervi cranici, dai nervi spinali e dai recettori

nervosi. Il sistema nervoso costituisce circa il 2% del peso del nostro corpo ma consuma quasi il 20%

dell’ossigeno e dell’energia. Per quanto riguarda le cellule, esistono delle notevoli differenze tra quelle che

compongono il SNC e quelle che invece fanno parte del SNP.

In generale, vi sono due tipi di cellule che costituiscono il sistema nervoso:

- Neuroni (circa 85 miliardi)→responsabili dell’attività elettrica del SN

- Cellule gliali, o la glia (presumibilmente in ugual numero dei neuroni, ma fino a poco tempo fa si credeva

che fossero circa 10 volte più numerosi)→sono un insieme di diversi tipi di cellule che hanno

sostanzialmente due funzioni: da una parte supportano il funzionamento del neurone, dall’altra forniscono

l’isolamento elettrico che è indispensabile per il funzionamento del neurone. Nel neonato la proporzione

neuroni/glia è diversa di quella nell’adulto poiché il suo cervello presenta già tutti i neuroni, ma poche

cellule gliali, che aumentano con la crescita grazie a processi di mitosi. Questo è uno dei motivi per il quale

il neonato della specie umana è estremamente dipendente. Le cellule gliali, quindi, si dividono per tutta la

vita e pertanto quelle che muoiono sono rimpiazzate. Salvo rare eccezioni, i neuroni presenti alla nascita

non possono essere rimpiazzati e pertanto il loro numero decresce con l’età.

Per studiare la struttura delle cellule cerebrali, gli scienziati fecero progressi tecnici che produssero un

nuovo campo di ricerca chiamato istologia (lo studio tramite microscopia della struttura dei tessuti). Ma il

tessuto cerebrale appena preparato è caratterizzato da un aspetto uniforme, senza differenze nella

pigmentazione che permettano agli istologi di analizzare individualmente le cellule. Nissl dimostrò che una

classe di tinte di base poteva colorare il nucleo di tutte le cellule e dei gruppi di materiale che circondavano

tali nuclei (conosciuti come corpi di Nissl, cioè il RE rugoso). Il colorante è noto come colorante di Nissl ed è

in grado di distinguere i neuroni dalle cellule gliali e permette agli istologi di studiare la disposizione, o la

citoarchitettura, dei neuroni. Impregnando del tessuto cerebrale con una soluzione ora chiamata colorante

di Golgi, si può dimostrare che i neuroni sono costituiti da un corpo cellulare (o soma o pericario), che

contiene il nucleo, e numerosi piccoli tubicini che si irradiano dalla regione centrale chiamati neuriti (assoni

e dendriti). La teoria del neurone formulata da Cajon afferma correttamente che i neuriti dei differenti

neuroni non sono connessi in maniera continua e comunicano per contatto e non per continuità, in

contrapposizione alla teoria reticolare formulata da Golgi (e rivelatasi infondata) secondo cui le cellule non

sono l'unità funzionale elementare dei tessuti del sistema nervoso, ma i neuriti di differenti cellule nervose

sono fusi insieme per costituire un reticolo continuo.

Il neurone è costituito da tre differenti regioni:

- I dendriti: la loro struttura è organizzata come i rami di un albero, che partono grossi e

si ramificano sempre di più a mano a mano che si allontanano dal soma. Il loro compito è

quello di raccogliere informazioni elettriche che provengono da altri neuroni. I neuroni,

quindi, fanno sinapsi (giunzione con altre cellule) a livello dei loro dendriti. Talvolta i

dendriti sono provvisti di specializzazioni chiamate spine dendritiche grazie alle quali il

dendrite riceve il contatto sinaptico da altre cellule neuronali. La lunghezza dei dendriti

può variare tra i 20 e i 2000 µm.

- Il corpo cellulare o soma: contiene il nucleo e gli altri organelli citoplasmatici che

servono per la sintesi delle macromolecole e per regolare il metabolismo cellulare. Nel

soma, inoltre, avviene l’integrazione dei segnali elettrici che arrivano da altre cellule, in particolare in una

zona specifica detta muticolo assonico. Il diametro del soma può variare tra i 10 e i 100 µm (micron).

- L’assone: è “unico”, non ramificato, e porta l’informazione sotto forma di impulso elettrico dal neurone

che lo ha prodotto a dei neuroni che si trovano a grande distanza. Il diametro dell’assone è normalmente tra

i 0.2 e i 20 µm (ma può arrivare ad un mm in certi neuroni speciali negli invertebrati) e tende a rimanere

costante per tutta la sua lunghezza. La lunghezza dell’assone è molto variabile e in qualche caso può

superare un metro (es. i motoneuroni che innervano i muscoli del piede hanno il loro soma a livello del

midollo spinale). Normalmente l’assone è uno ma, specie nella parte finale, può ramificarsi.

La maggior parte degli assoni sono ricoperti di una guaina detta guaina mielinica, prodotta non dal

neurone stesso, ma da cellule gliali. Gli assoni delle cellule possono viaggiare da soli, ma spesso quando ci

sono dei tratti lunghi e ci sono dei neuroni che proiettano nella stessa area viaggiano insieme, in strutture

chiamate nervi (quando sono nel sistema nervoso periferico) o tratti (nel sistema nervoso centrale). In

questo modo si rende più resistente il singolo assone a sollecitazioni di tipo meccanico. Al termine,

l’assone solitamente si ramifica e quindi termina a contatto con altre cellule nervose mediante strutture

specializzate chiamate bottoni sinaptici (o terminazioni sinaptiche o terminali sinaptici). Assone e dendriti

vengono spesso designati con il nome di “neuriti”.

LA CLASSIFICAZIONE DEI NEURONI

I differenti neuroni possono essere riconosciuti e classificati in base alla:

- DIMENSIONE (il soma dei neuroni può variare in diametro tra 10 μm e 100 μm);

- FUNZIONE (diversa a causa delle diverse connessioni dei neuroni), per cui si distinguono 3 tipi di neuroni:

Neuroni Sensoriali→ l'informazione viene inviata verso il sistema nervoso da neuroni che hanno neuriti

sulla superficie sensoriale del corpo umano, come le cellule ciliate dell’orecchio e i fotorecettori della retina,

e trasformano segnali esterni in segnali elettrici comprensibili per il cervello, che li elabora, e sono detti

anche neuroni afferenti (dalla periferia al centro);

Motoneuroni→ hanno assoni che contraggono sinapsi con i muscoli e comandano i movimenti; nel caso

dei vertebrati il sistema effettore è costituito dallo scheletro, a cui sono collegati i muscoli. Sono anche

chiamati neuroni efferenti (dal centro agiscono verso la periferia);

Interneuroni→ fanno sinapsi solo con altri neuroni, si trovano nel SNC, sono i più numerosi, analizzano gli

stimoli di senso in ingresso e coordinano quelli in uscita, consentendo quindi di modulare le risposte

nervose.

Sia gli animali complessi sia gli organismi più semplici presentano la stessa suddivisione di funzioni.

Sistema sensoriale e sistema effettore presentano caratteristiche molto simili in organismi diversi quali la

mosca e l’uomo. Il sistema di integrazione (interneuroni), al contrario, è molto differente in un insetto o un

vertebrato.

- FORMA (in base al numero di neuriti che si estendono dal soma), che permette la distinzione in:

Unipolari→ forma tipica dei neuroni sensoriali (es. i fotorecettori, i recettori del tatto ecc.), sono provvisti

del solo assone (no dendriti); in questi neuroni il corpo cellulare è l’unico sito di ricezione degli stimoli;

Bipolari→ anche questo tipo si trova spesso negli organi di senso (es. le cellule bipolari della retina o le

cellule bipolari dell’epitelio olfattivo) e hanno un singolo assone e un singolo dendrite;

Multipolari→ è il tipo più diffuso di neurone e ve ne sono molti tipi differenti, sono formati da un solo

assone e molti dendriti, e si trovano sia nel SNP (motoneuroni e neuroni sensoriali) sia nel SNC

(interneuroni).

- LUNGHEZZA DELL’ASSONE, si distinguono in:

I tipo del Golgi (assone lungo), neuroni di proiezione (mandano il loro assone in zone lontane);

II tipo del Golgi (assone corto), neuroni a circuito locale (elaborano una piccola informazione localmente

prima di spedire l’informazione, quindi comunicano con cellule che si trovano tutte localizzate nello stesso

posto).

- TIPO DI NEUROTRASMETTITORE che utilizzano, si distinguono in:

Neuroni colinergici, usano l’acetilcolina (es. i motoneuroni che comandano i movimenti involontari);

Neuroni dopaminergici, usano la dopamina come neurotrasmettitore.

VEDERE DA PAGINA 27 A PAGINA 43 DEL LIBRO PER APPROFONDIRE LA CELLULA NEURONALE

LE CELLULE GLIALI

Le cellule gliali svolgono molte funzioni fondamentali nel SN:

1) Riempiono lo spazio separando un neurone dall’altro (che altrimenti si influenzano perché dotati di carica

elettrica) e isolano elettricamente gli assoni;

2) Nutrono i neuroni;

3) Mantengono stabile la composizione dello spazio extracellulare del tessuto nervoso. Questa è una

funzione importante perché lo svolgimento dell’attività elettrica del cervello si basa fondamentalmente su

variazioni nella concentrazione di ioni interna ed esterna alla cellula. La concentrazione interna viene variata

dal neurone stesso grazie ai suoi meccanismi fisiologici, quella esterna deve rimanere il più costante

possibile. La concentrazione negli altri tessuti, invece, può variare (es. pelle umida o secca);

4) Guidano la crescita e la ricrescita delle cellule neuronali;

5) Riparano i tessuti e difendono dai patogeni (sostituendo il sistema immunitario che non è presente nel

sistema nervoso centrale).

Le cellule gliali si dividono in due grandi categorie: microglia (che derivano dal mesoderma) e macroglia

(che hanno la stessa origine embriologica dei neuroni, cioè l’ectoderma). Quando un neurone muore o una

parte del tessuto nervoso viene danneggiato, le cellule microgliali fagocitano rapidamente frammenti

cellulari delle aree lese; per questo motivo le cellule di microglia sono

considerate i macrofagi del sistema nervoso centrale. Le macroglia si

dividono in astrociti, oligodendrociti e cellule di Schwann.

ASTROCITI

-

Sono le più numerose e versatili tra le cellule gliali e prendono il loro

nome dalla loro forma a stella. Svolgono molte funzioni importanti:

1) Nutrono i neuroni→il cervello è attraversato dal sistema

circolatorio, ma non è bagnato dal sangue come lo sono, ad esempio, i

muscoli. I neuroni, così, non toccano direttamente questi vasi, ma

grazie agli astrociti vengono trasportate delle sostanze nutritive dal

sistema circolatorio ai neuroni e, viceversa, le sostanze di scarto dai

neuroni al sistema circolatorio. L’astrocita ha, quindi, sia contatti con il sistema circolatorio sia con il

neurone e il neurone si nutre attraverso di esso. L’astrocita funziona, quindi, da “filtro”, poiché decide ciò

che passa e ciò che non passa. I patogeni presenti nel sangue non riescono così, in linea di principio, ad

entrare nel cervello.

2) Contribuiscono a formare la barriera emato-encefalica (tra il sangue e il tessuto nervoso), insieme

alle cellule endoteliali dei vasi. Essa presenta una serie di funzioni, quali:

1) Evitare che virus e batteri penetrino nel SNC;

2) Mantenere costante la concentrazione di ioni nel liquido extracellulare dei tessuti del SNC (infatti le

variazioni nella concentrazione ionica che si osservano nel sangue non sarebbero compatibili con il

funzionamento dei neuroni);

3) Evitare il contatto dei neuroni con molte sostanze presenti nel sistema circolatorio che hanno un forte

effetto sui neuroni e/o che questi non possono tollerare, a differenza degli altri tessuti del corpo (es. l’acido

glutammico o glutammato, che può essere presente nel sangue anche ad altre concentrazioni, nel sistema

nervoso viene utilizzato come neurotrasmettitore ed è pertanto in grado di mandare in tilt i neuroni).

Ossigeno e anidride carbonica passano spontaneamente, perciò non c’è alcun controllo degli scambi

gassosi. Così, soprattutto quando il cervello consuma di più e produce anidride carbonica, può avvenire

velocemente lo scambio di anidride carbonica e ossigeno, necessario per i processi metabolici (una delle

ragioni per cui il cervello è molto irrorato). Infatti, il sistema nervoso costituisce il 5% del peso complessivo

del corpo, ma il consumo energetico dell’encefalo è del 20% (è un tessuto con un’alta attività metabolica).

3) Svolgono le funzioni di fagocitosi come le microglia ma, a differenza di esse che si trovano un po’

ovunque e che intervengono localmente, gli astrociti “camminano” tra le cellule del cervello, spostandosi

nella zona della lesione;

4) Catturano i neurotrasmettitori che fuoriescono dalla fessura sinaptica e li metabolizzano

impedendo che possano agire su sinapsi diverse da quelle che li hanno rilasciati;

5) Tamponano la concentrazione extra-cellulare del K+ (potassio). Quando vi è una intensa attività

elettrica del neurone vi è una fuoriuscita di grandi quantità dello ione potassio (K+) dal neurone al liquido

extracellulare. A lungo andare questo potrebbe accumularsi nel liquido extracellulare modificando

l’equilibrio ionico e interferendo con l’attività elettrica del neurone stesso. Gli astrociti tamponano la

concentrazione extra-cellulare del potassio e di alti ioni mantenendo stabile la composizione del liquido

extra-cellulare. Gli astrociti sono in comunicazione tra loro mediante giunzione comunicanti (note anche col

nome di giunzioni serrate o gap junctions, dove si trovano le sinapsi, pag. 116) in modo tale che sia gli ioni, i

neurotrasmettitori o le altre sostanze in eccesso che vengono riassorbite, che le sostanze nutritive siano

distribuite in una rete di cellule collegate tra loro;

6) Producono i growth factors ed hanno un ruolo fondamentale nella risposta rigenerativa ad un

trauma→I growth factors o fattori di crescita neurale sono delle proteine che hanno un gradiente di

concentrazione (vicino a quella cellula è molto concentrato, mano a mano che si allontana dal tessuto

nervoso è meno concentrato), fungono da segnale per il differenziamento dei neuroni e indicano la

direzione nella quale fare crescere gli assoni durante lo sviluppo oppure dopo un trauma che ha lesionato i

tessuti. La scoperta dell’esistenza di queste molecole si deve a Rita Levi-Montalcini che nel 1951 ha isolato

e purificato il primo di questi fattori (il nerve growth factor NGF, pag. 839). Alcuni GF funzionano come un

faro chimico che attrae l’assone in crescita, altri invece lo respingono. Questo avviene sia durante lo

sviluppo del SN (ontogenesi del SN), sia quando c’è stato un danno cerebrale nel SN da riparare.

Dopo la morte, il cervello di Albert Einstein è stato confrontato con campioni di controllo da tre differenti

gruppi di ricerca. Differenze si sono trovate in diverse caratteristiche del cervello di Einstein rispetto a

quello delle altre persone: 1) Il peso era leggermente ma significativamente superiore rispetto ai controlli; 2)

Lo spessore della corteccia era minore ma questa era più estesa; 3) Vi era un maggior numero di solchi, in

particolare nelle aree parietali dove tra l’altro sono localizzate alcune funzioni che hanno a che fare con le

abilità matematiche; 4) La densità dei neuroni era leggermente ma significativamente superiore ai controlli;

5) La differenza principale riguarda il maggior numero di astrociti in rapporto ai neuroni, il che è

probabilmente in relazione con la maggior richiesta metabolica del suo cervello.

OLIGODENDROCITI E CELLULE DI SCHWANN (pagg. 52-53)

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La maggior parte degli assoni sono ricoperti da un rivestimento, la guaina mielinica, che serve ad isolare

l’assone e ad aumentare la velocità della trasmissione dei segnali elettrici. La mielina che costituisce la

guaina è composta per l’80% di lipidi e per il 20% di proteine. Nel sistema nervoso centrale (SNC) la mielina

è formata dagli oligodendrociti, mentre in quello periferico (SNP) è formata dalle Cellule di Schwann.

La modalità con la quale queste due tipi di cellule formano la mielina è differente. Si ricordi che il Sistema

Nervoso Centrale è costituito dall’encefalo e dal midollo spinale ed è racchiuso entro le ossa (del cranio e

della colonna vertebrale) e il Sistema Nervoso Periferico è la porzione che si trova all’esterno del cranio e

della colonna vertebrale ed è costituito principalmente dai nervi cranici, dai nervi spinali e dai recettori.

Nel SNP ciascuna Cellula di Schwann è una specie di “salsicciotto” che si avvolge attorno ad un tratto

dell’assone. Nel SNC i prolungamenti di ciascun oligodendrocita si avvolgono a spirale intorno agli assoni

con strati di membrana plasmatica e possono ricoprire tratti diversi dello stesso assone o di assoni diversi.

Sia nel sistema nervoso periferico che in quello centrale la mielina che ricopre l’assone si interrompe ad

intervalli regolari lasciando per un breve tratto la membrana scoperta. Questa regione viene chiamata nodo

di Ranvier (ved. Pag. 53). I segmenti di guaina mielinica hanno una lunghezza all’incirca di 1 mm mentre il

nodo di Ranvier misura solitamente 1-2 μm.

La mielinizzazione è un processo che inizia a partire dal 5° mese di sviluppo del feto ma che avviene

soprattutto dopo la nascita fino ai due anni e oltre. Ciò spiega in parte come possa avvenire che il cervello

alla nascita sia molto più piccolo (400 cc di volume invece di 1300) nonostante il numero dei neuroni sia

essenzialmente lo stesso che nell’adulto. Il peso del cervello cresce rapidamente dopo la nascita fino a

raggiungere l’80% di quello adulto a 2 anni. Dopo la pubertà