Appunti esame Basi anatomiche e neuroendocrine del comportamento

Il comportamento animale e i circuiti nervosi

Il comportamento animale si basa sulla presenza di circuiti nervosi specifici; input sensoriali provenienti dall'esterno sono captati ed integrati in questi circuiti, originando un output diretto sul sistema motorio per determinare il comportamento. La situazione non è così semplice poiché esistono altri fattori che entrano in gioco nel modulare l'attività dei circuiti nervosi: gli ormoni.

Sistema nervoso e sistema endocrino

Sia il sistema nervoso che il sistema endocrino coordinano l’attività dell’organismo: il primo ha tempi di regolazione a breve termine mentre il secondo determina degli effetti prolungati a medio/lungo termine. Entrambi i sistemi sono caratterizzati dalla capacità di produrre messaggeri chimici, ma quelli prodotti dal sistema endocrino possono agire a distanza: si tratta, appunto, degli ormoni.

Comunicazioni intercellulari

Le comunicazioni intercellulari possono essere:

• Autocrine: produzione di un mediatore chimico da parte di una cellula, la quale ha sulla sua superficie il recettore per quello stesso mediatore.
• Paracrine: il mediatore viene prodotto e rilasciato da una cellula e raggiunge i recettori sulla superficie di altre cellule, cioè le cellule bersaglio.
• Neurocrine: il messaggero viene rilasciato proprio di fronte alla cellula bersaglio in corrispondenza dei recettori che determinano la regolazione di quest’ultima.
• Endocrine: la cellula produttrice rilascia l’ormone direttamente nel sangue e da qui esso viene trasportato in cellule bersaglio, le quali possono essere anche distanti dal luogo di produzione dell’ormone.

Tipologie di ormoni

La parola ormone non indica una classe di molecole, bensì indica una funzione: per questo motivo gli ormoni appartengono a diverse famiglie molecolari. Per esempio, possono essere peptidi (catene piuttosto piccole di amminoacidi), proteine (catene lunghe e complesse con organizzazione tridimensionale di amminoacidi), glicoproteine (proteine associate a dei glicidi) e anche singoli amminoacidi possono avere funzione ormonale, come melatonina, serotonina (che derivano dal triptofano, amminoacido), adrenalina, dopamina, noradrenalina, tiroxina e triiodotironina (che derivano tutti dalla tirosina, altro amminoacido). Infine, ci sono gli ormoni steroidei prodotti in maniera specifica da alcune ghiandole come il surrene, l’ovaio e il testicolo, ma anche da altre regioni del corpo come la cute, il rene, il fegato e il sistema nervoso centrale e periferico.

Scoperta e funzione degli ormoni

Gli ormoni sono stati scoperti tardi, intorno agli anni ’20 del secolo scorso, perché funzionano a concentrazioni che all’epoca erano considerate molto basse, anche se ad oggi sono considerate concentrazioni medio-alte; la loro funzione è legata al fatto che essi hanno un’estrema selettività, cioè agiscono solo su quegli organi o quelle cellule che esprimono recettori specifici. Si distinguono quindi ormoni e organi bersaglio (target organs), questi ultimi identificati per la presenza dei recettori degli ormoni.

Interazione tra sistema nervoso e ormoni

Ghiandole quali la tiroide, il surrene ed il testicolo producono ormoni che regolando i circuiti nervosi, e ciò è noto perché all’interno del sistema nervoso ci sono recettori per questi specifici ormoni (quindi il cervello è un organo bersaglio per questi ormoni). Quindi, nel cervello si trovano molti recettori ormonali: per gli steroidi sessuali, i glucocorticoidi, gli ormoni tiroidei, la melatonina, gli ormoni legati alla crescita e i fattori insulina-simili. Perciò, il sistema nervoso centrale è bersaglio di tutti questi ormoni e di molti altri: l’ipotalamo in particolare è in grado di secernere ormoni che vanno a regolare l’ipofisi, una piccolissima ghiandola situata sotto all’encefalo, e questa produce ormoni che vanno a regolare la tiroide, il surrene e la gonade.

Ipotalamo e neurosecrezione

L’encefalo quindi è considerato, oltre che bersaglio, anche una ghiandola endocrina. Quest’ultimo fatto è stato scoperto negli anni ’30 del secolo scorso da due ricercatori tedeschi, i quali definirono la neurosecrezione. Attraverso metodi istochimici che mettevano in evidenza le cellule secernenti nelle ghiandole endocrine del resto del corpo, hanno scoperto gruppi di cellule che si coloravano in ugual modo: definirono queste cellule (neuro)secernenti. Successivamente, si è scoperto che queste cellule erano neuroni localizzati in due gruppi di cellule più grandi presenti nell’ipotalamo e già identificate come neuroni magno-cellulari.

Inizialmente si è pensato a questi neuroni come gli unici in grado di produrre qualcosa all’interno dell’encefalo, ma in seguito si è scoperto che questi neuroni erano in grado di rilasciare queste sostanze all’interno di una rete vascolare che conduceva direttamente all’ipofisi. Si è scoperto che questi fattori erano dei peptidi, abbastanza piccoli, in grado di stimolare l’attività delle cellule presenti nell’adenoipofisi, quindi sono stati definiti prima come releasing factors e poi come releasing hormones.

Tra l’altro, in precedenza si era riuscito a vedere che parte di questi peptidi venivano secreti direttamente nel sangue funzionando come veri e propri ormoni (vasopressina e ossitocina). Su quest’onda, sono stati fatti diversi studi sulla presenza di peptidi all’interno del sistema nervoso e si è scoperto che i neuroni che producono i peptidi non sono esclusivamente localizzati nell’ipotalamo e non sono esclusivamente localizzati nei neuroni magno-cellulari, ma sono presenti in un grandissimo numero di sistemi neuronali e si è così sviluppato il concetto del sistema peptidergico dell’encefalo e del midollo spinale.

L'evoluzione della neuroendocrinologia

Ad oggi, la neuroendocrinologia è iniziata dallo studio del sistema nervoso come un target per gli ormoni periferici e, attraverso la scoperta della neurosecrezione, dei sistemi peptidergici ipotalamici ed extra-ipotalamici, si è conclusa con il capire che ci sono delle interazioni molto forti tra il sistema neuro-endocrino ed il controllo dei comportamenti. Si è sviluppata così una visione ipotalamo-centrica del sistema nervoso, molto diversa dalle ipotesi iniziali di funzionamento dello stesso:

• Le differenti funzioni dei diversi tipi di neuroni non si basano solo su differenze dei loro collegamenti.
• Se l’attività del sistema nervoso si basasse solo sulla sua attività eccitatoria e inibitoria, perché ci sono così tanti peptidi, neurotrasmettitori e recettori quando ne basterebbero due (uno eccitatorio, uno inibitorio)?
• Andando a cercare la localizzazione dei circuiti che controllano alcuni comportamenti chiave per il funzionamento (riproduzione, aggressività e l’assunzione del cibo) si osserva che essi sono più correlati alla distribuzione di alcuni recettori rispetto che alla mappa dei collegamenti.
• Volendo stimolare un certo comportamento, la cosa più semplice da fare è iniettare all’interno di una certa regione un determinato ormone. Di per sé i collegamenti non determinano il comportamento, che viene invece stimolato con l’ormone, di là dei collegamenti ci deve essere qualcos’altro che va a regolare quindi l’attività dei circuiti.

Patologie e alterazioni endocrine

Ad oggi è noto che l’alterazione delle funzioni endocrine è implicata in numerose patologie umane come l’obesità, la depressione, la regolazione cardiovascolare, lo stress, alterazioni comportamentali, disfunzioni sessuali e processi immunologici.

Arnold Adolph Berthold e l'esperimento del 1849

Dove si è cominciato a capire che esiste un controllo endocrino del comportamento? Colui che ha condotto un esperimento nel 1849 che ha permesso di capirlo è stato un professore di fisiologia dell’università di Gottingen, Arnold Adolph Berthold. Per capire questo esperimento, è necessaria una piccola parentesi: le galline differiscono dai galli per alcune caratteristiche fenotipiche come la cresta, gli speroni, la coda, ma anche il canto, l’attività e l’aggressività dei galli. Ci sono però differenze a livello culinario per cui la carne della gallina è molto più tenera e se’ questo incidentalmente porta con una problematica negli allevamenti intensivi per cui quando le uova schiudono gli esperti (chiamati sessatori), semplicemente guardando la cloaca, dividono i maschi dalle femmine, i primi vengono uccisi, triturati per il mangime, mentre le femmine vengono fatte ingrassare per poi utilizzarle o per le uova o per la carne. Prendendo i pulcini prima della pubertà e castrandoli, questi mancheranno delle caratteristiche fenotipiche dei galli adulti, del comportamento aggressivo e di canto ma, in compenso, avranno una carne più tenera a volte persino più delle galline. È quindi diventata una pratica in uso quella di fare questi capponi, individui maschi castrati prima della pubertà.

Berthold ha pensato che la differenza fosse dovuta proprio alla mancanza dei testicoli in questi capponi e ha condotto così il suo esperimento: ha preso sei pulcini, a quattro di questi ha rimosso i testicoli. I due individui “intatti” si sono sviluppati normalmente mentre gli altri uccelli sono rimasti con le caratteristiche da cappone. Successivamente, ha preso i testicoli e li ha rimpiantati nell’addome di due degli esemplari a cui erano stati rimossi, ma in una localizzazione differente. Questi hanno progressivamente sviluppato le caratteristiche sessuali secondarie dei maschi, indicando che i testicoli funzionavano correttamente. I testicoli impiantati erano stati ri-vascolarizzati, ma non presentavano connessioni nervose specifiche. A quel tempo si pensava che le caratteristiche sessuali fossero mediate essenzialmente dal sistema nervoso ma quello che lui scoprì è che, in realtà, tali caratteristiche dipendevano dalla produzione di qualcosa da parte dei testicoli che poi veniva riversato nel sangue: aveva scoperto gli ormoni cinquant’anni prima della loro scoperta vera e propria. Purtroppo, Berthold non ha proseguito gli studi, nessun altro scienziato suo contemporaneo ha capito l’importanza di quello che aveva scoperto e così sono passati cinquant’anni prima che venisse fuori l’idea di sostanze prodotte nel sangue che avessero un’attività sul resto del corpo (grazie agli studi di Victor Horsley e George Murray sulle malattie legate alla tiroide).

Altra cosa che si è capita molto più tardi (tutti si basarono sulle caratteristiche fenotipiche) è che anche il comportamento, appunto il canto e l’aggressività, è controllato da queste sostanze secrete nel sangue dal testicolo.

Esperimenti sugli umani

Ci sono anche esperimenti condotti sugli umani: la castrazione può avvenire per motivi medici, come lo sviluppo di un tumore al testicolo o all’ovaio, ma può essere anche determinata da motivi sociali, come è avvenuto nel corso della storia. Se questa avviene dopo la pubertà non si hanno grossi effetti a parte la perdita della capacità riproduttiva, mentre la castrazione prima della pubertà causa mancanza di peli sulla cute, braccia sproporzionatamente lunghe e il mantenimento di una voce infantile (parlando principalmente di maschi). Si ricordino per esempio gli eunuchi dell’Impero Cinese oppure i castrati del ‘600 che venivano impiegati a teatro, luogo inaccessibile per le donne, nell’interpretazione di ruoli femminili. Possono anche intercorrere delle mutazioni a livello dei cromosomi sessuali, in particolare dei recettori per gli androgeni; ci sarà una dissociazione tra il sesso genetico XY e il fenotipo associato poiché gli ormoni non funzionano come dovrebbero ed il risultato è una totale inversione del sesso (fenotipo e comportamento femminile).

Analisi della neuroendocrinologia del comportamento

Quali sono i livelli di analisi che si possono applicare quando si studia la neuroendocrinologia del comportamento?

• Cause immediate: meccanismi neurali ed ormonali responsabili di un particolare comportamento durante l’ontogenesi.
• Cause durante lo sviluppo: i comportamenti non sono ben fissati e alterazioni precoci del rilascio ormonale possono indurre dei cambiamenti permanenti nei circuiti neurali e nei comportamenti.
• Prospettive evolutive: comparazione fra specie molto vicine o distanti filogeneticamente in modo da capire quali siano i comportamenti di base e i circuiti che si sono conservati durante l’evoluzione e quelli specifici di quell’organismo.
• Funzioni adattative: ruolo che i comportamenti giocano per l’adattamento dell’animale nel suo ambiente.

Metodi di indagine in endocrinologia del comportamento

I metodi di indagine impiegati nell’endocrinologia del comportamento sono tutti metodi moderni: analisi del comportamento, rimozione e rimpiazzamento di ghiandole endocrine, test biologici, test immunologici, immunoistochimica per evidenziare i circuiti e le sostanze che producono i diversi neuroni, autoradiografia per i recettori, ibridazione in situ, studi di elettrofisiologia e manipolazioni genetiche, farmacologia.

Il sistema endocrino

Un ormone è un messaggero chimico che viene utilizzato per scambiare informazioni tra le cellule; rappresentano solo una parte dei segnali che vengono scambiati, perché si possono avere:

• Neurotrasmettitori: molecole che agiscono a breve distanza (gli ormoni invece, come già detto, agiscono su lunghe distanze).
• Feromoni: molecole che agiscono tra conspecifici, influenzando le attività l’uno dell’altro (i feromoni contenuti nell’urina veicolano l’informazione sulla disponibilità riproduttiva di quell’animale).
• Allomoni: molecole che agiscono nella comunicazione tra piante e animali (i fiori nella fase di produzione del polline emettono allomoni per attirare api).

Meccanismo di funzionamento delle ghiandole endocrine

Il meccanismo di funzionamento della maggior parte delle ghiandole endocrine è un meccanismo di regolazione a feedback e si distinguono:

• Feedback autocrino: l’ormone prodotto dalla cellula endocrina, oltre ad agire sul bersaglio stimolandolo, può agire anche sulla stessa cellule che l’ha prodotto con una fase di tipo inibitorio.
• Feedback a retroazione: l’ormone può andare a stimolare la cellula bersaglio inducendo una risposta biologica e questa può determinare l’azione di feedback a retroazione sulla cellula endocrina.

Comunicazione neuroendocrina

La comunicazione neuroendocrina è una situazione di passaggio perché si ha da un lato il neurone dotato, sul suo corpo cellulare o sui suoi dendriti, di sinapsi che funzionano con il neurotrasmettitore classico, determinando l’insorgenza del potenziale d’azione, però dall’altro lato il terminale del neurone neuroendocrino, invece di termina su un altro neurone, termina su un vaso rilasciando direttamente in esso quello che si può chiamare ormone.

Le ghiandole endocrine e la loro localizzazione nell'uomo

Nell’uomo a livello della scatola cranica si trovano:

• L’epifisi (o ghiandola pineale) implicata nel controllo della riproduzione e dei ritmi circadiani.
• L’ipotalamo: che produce fattori regolatori dell’attività della ghiandola ipofisaria.
• L’ipofisi (o ghiandola pituitaria), distinta in una parte posteriore e una anteriore: la prima produce neuro-ormoni prodotti dalle cellule nervose dell’ipotalamo e rilasciati nel sangue, importanti per il bilancio idrico e salino; la seconda è coinvolta nella secrezione di ormoni che vanno a regolare l’attività di altre ghiandole endocrine come la tiroide, la corteccia, le gonadi, ma regolano anche la crescita.

Nel collo si trovano la tiroide e le paratiroidi. A livello addominale, al di sotto dei reni, ci sono le ghiandole surrenali, divise in una parte corticale ed una midollare; il pancreas è associato all’intestino. Infine nella cavità pelvica ed extrapelvica, nel caso dei maschi, si trovano le gonadi, importanti per la produzione di ormoni importanti per la riproduzione e lo sviluppo del corpo.

Ghiandole endocrine negli animali da laboratorio

Spostandosi negli animali da laboratorio, come un ratto, si trovano le stesse ghiandole nelle stesse posizioni.

• Tiroide: Localizzata in stretto collegamento con la laringe e la trachea, la tiroide è costituita da un lobo destro e uno sinistro, collegati tra loro da un istmo, e ci può essere un terzo lobo piramidale al centro, anche piuttosto sviluppato. La sua organizzazione strutturale è quella di una ghiandola follicolare; produce tre tipologie di ormoni (T3, T4, calcitonina).
• Paratiroidi: Visibili ribaltando la tiroide nella faccia aderente alla laringe, le paratiroidi sono quattro piccole ghiandole associate alla parte posteriore dei lobi tiroidei. Producono il paratormone, importante per la regolazione del calcio, così come la calcitonina tiroidea: anzi, questi due ormoni agiscono in contrapposizione per regolare la quantità di calcio circolante.
• Ghiandole surrenali: Localizzate sulla parte apicale del rene e dalla forma a berretto frigio, le ghiandole surrenali sono costituite da due ghiandole che nel corso dell’evoluzione si sono compenetrate vicendevolmente:
  • La parte corticale produce i corticosteroidi, in particolare nella porzione glomerulare più esterna vengono prodotti mineral-corticoidi (come l’aldosterone) presenti nell’organismo, che regolano la quantità di sali mentre nella porzione più spessa detta fascicolata vengono prodotti i glucocorticoidi (come il cortisolo ed il corticosterone) che vanno ad agire sul metabolismo degli zuccheri.