Appunti lezione di Neuroscienze - Università di Torino

IL NE UR O NE

L ez ione 1 ‐

Il cervello ha più compiti, tra cui:

– T R AD UR R E le informaz ioni del mondo es terno(es terocez ione) o dal mondo interno (eterocez ione),

tras formando le informaz ioni (vis ive, uditive, olfattive...) in codice neurale, ovvero in qualcos a che i neuroni

pos s ono s cambiars i tra loro. I neuroni variano la propria attività elettrica. D i ques to s i occupano i recettori. Una

volta tras formata, l'informaz ione è elaborata e integrata dai neuroni, cos truendo cos ì la realtà. L e informaz ioni,

dapprima s compos te, vengono poi as s ociate ed eventualmente anche memoriz z ate;

– P IANIF IC AR E nuove az ioni, attravers o il paragone con es perienz e pas s ate e conos cenz e innate;

– INV IAR E informaz ioni ai mus coli, determinando un'az ione o un comportamento.

G li invertebrati come le s pugne non pos s iedono S N e s ono totalmente in balia degli eventi es terni. S olo nelle

medus e, invertebrati, compaiono i primi neuroni che s volgono i compiti s opracitati, potendo perciò, per

es empio, riconos cere eventuali prede e difenders i. Il S N in es s e è s emplice, compos to da una s erie di neuroni

che formano una rete. D alle medus e arriviamo a invertebrati più comples s i, in cui i neuroni s i raggruppano in

gangli, da cui es ce un cordone nervos o (platelminti).

L e cos e diventano più comples s e quando neuroni differenti s i unis cono in gangli differenti, come negli ins etti,

in cui abbiamo la compars a di recettori s ens oriali divers i.

Nei vertebrati abbiamo una s truttura di bas e molto s imile. I neuroni s i raggruppano per formare l'encefalo e il

midollo e le s trutture s ono protette da un s is tema os s eo.

Nei mammiferi e nei primati abbiamo l'aumento delle dimens ioni del cervello (as s ociato all'aumento delle

dimens ioni corporee). A ciò s i aggiunge l'aumento della comples s ità delle connes s ioni tra neuroni, con

cons eguente s viluppo di certe aree importanti per la s opravvivenz a. T utto ciò porta alla s pec ializ z az ione delle

funz ioni, os s ia ogni neurone s i s pecializ z a in certe funz ioni.

Abbiamo due tipi di cellule nel S N: i neuroni e le c ellula g liali (glia).

L e cellule gliali hanno funz ione di s os tegno, alcuni di es s i formano la guaina mielinica, captano e s maltis cono

le molecole e regolano lo s viluppo dei neuroni. L e famiglie s ono due: microglia e macroglia. L e prime s ono

piccole e dis truggono le molecole di rifiuto. Abbiamo tre tipi di cellule glia:

– olig odendroc iti (che s i trovano s olo nel S NC ). S ono in grado ci contattare più neuroni;

– c ellule di S hwann (che s i trovano s olo nel S NP ). S ono in grado di avvolgers i attorno a un unico neurone.

– as troc iti (che s i trovano s ia nel S NC che nel S NP ) che devono il loro nome alla loro forma, a s tella. E s s i

regolano l'ambiente e rias s orbono o liberano s os tanz e chimiche per il metabolis mo dei neuroni e formano la

barriera ematoenc efalic a, che s volge le funz ioni di protez ione e regolaz ione. L 'ambiente in cui s i trovano i

neuroni deve es s ere mantenuto cos tante. Q ues ta barriera regola la quantità e il tipo di s os tanz e nel pas s aggio

s angue‐neurone. L a barriera è formata dagli as trociti e dai capillari, uniti tra loro tramite le giunz ioni s errate. Ha

funz ione s elettiva; ci s ono però alcune parti in cui lo è di meno, cos icchè s ia pos s ibile cons entire al cervello di

monitorare la concentraz ione degli ormoni nel s angue o per liberare s os tanz e nel s angue.

I neuroni s ono s trutture tridimens ionali graz ie al citos cheletro, os s ia una s truttura proteica formata da

microtubule, microfilamenti e neurofilamenti. P er il princ ipio della polariz z az ione dinamic a, le divers e parti

del neurone s volgono funz ioni divers e con una direz ione ben precis a, che parte dai dendriti e arriva alle

terminaz ioni.

I dendriti (ricettori) ricevono le informaz ioni, che confluis cono nel corpo cellulare, dove vengono integrate tra

loro. I dendriti s ono ramificati; pos s iedono le s pine dendritiche, prolungamenti che formano una s inaps i. L e

s pine aumentano la s uperficie di contatto e quindi anche la capacità di ricevere le informaz ioni. S ono elementi

plas tici.

Il c orpo c ellulare o s oma integra le informaz ioni, contiene il D NA nel nucleo, in cui avviene la s intes i proteica

(precis amente nel citoplas ma, dove ci s ono i mitocondri per energia, e i ribos omi e l'apparato del G olgi per la

s intes i delle proteine). L e proteiene s intetiz z ate raggiungono le terminaz ioni dell'as s one, movimento regolato

dal citos cheletro. L e proteine vengono impacchettate in ves cicole e tras portate dai microtubuli, attravers o un

tras porto anterogrado, cioe dal centro alla periferia, e un tras porto retrogrado, dalla periferia al centro. C i s ono

due tipi di tras porto: lento e rapido. Q uello lento (T R AS P O R T O AS S O P L AS MAT IC O , anterogrado) viene us ato

per le proteine di ricambio dell'as s one s tes s o, quello rapido (T R AS P O R T O AS S O C IO , retrogrado e

anterogrado) è us ato per inviare le proteine alle terminaz ioni neurali.

Il neurone pos s iede un unico as s one, che può es s ere molto lungo o molto corto. L a s ua funz ione è quella di

condurre i s egnali elettrici, dal corpo cellulare alle s trutture bers aglio. L a guaina mielinica aumenta la capacità

dell'as s one di condurre le informaz ioni. S i ramifica nel terminale dell'as s one. S e ce l'ha, nel terminale l'as s one

perde la guaina mielinica.

I neuroni pos s ono es s ere clas s ificati in tre modi:

– a s econda del numero di prolungamenti, il neurone può es s ere unipolare (unico prolungamento s ia dendrite

che as s one), bipolare, ps eudo‐unipolare (a T , dal s oma es ce una s ola propaggine che s i divide in due parti),

multipolare (unico as s one, tante propaggini);

– a s econda della funz ione. I neuroni s ens itivi partecipano all'acquis iz ione di s timoli, tras portando le

informaz ioni dagli organi s ens oriali al s is tema nervos o centrale. G li interneuroni, all'interno del s is tema

centrale, integrano i dati forniti dai neuroni s ens oriali e li tras mettono ai neuroni motori. I motoneuroni emanano

impuls i di tipo motorio agli organi della periferia corporea. Nel S NC abbiamo gli interneuroni locali e i neuroni a

proiez ione, cos ì chiamati perché proeittano al di fuori della s truttura in cui s i trovano.

ME MB R A NA NE UR O NA L E

L ez ione 2 ‐

I neuroni, come tutte le altre cellule, s ono completamente avvolti dalla membrana cellulare, in ques to cas o

chiamata neuronale. L a membrana neuronale ha un doppio s trato fos folipido, con tes te polari e code apolari,

dis pos te con la parte polare rivolta vers o l'es terno e l'interno e la parte polare nel mez z o. C ome tutte le altre

cellule, i neuroni s ono formati da glucidi, lipidi, protidi e acidi nucleici. G li elementi principali che li compongono

s ono principalmente l'idrogeno, l'os s igeno, il carbonio e l'az oto. S i tratta di una membrana s emipermeabile,

che non las cia pas s are tutte le s os tanz e, ma ne regola il pas s aggio, che dipende da due fattori fondamentali:

– la carica elettrica: ci s ono s os tanz e che portano una carica elettrica (pos itve o negative) e altre che invece

s ono neutre. L e s os tanz e neutre pas s ano più facilmente dalla membrana neuronale, come il glucos io

(fondamentale per il metabolis mo dei neuroni), os s igeno e anidride carbonica (che oltre ad es s ere neutri s ono

anche piccoli). C i s ono s os tanz e come il cloruro di s odio che invece pres entano cariche elettriche e fanno

molta fatica a pas s are, perchè le tes te polari tendono a impedire il pas s aggio delle s os tanz e con carica

elettrica;

– la dimens ione: tanto più grandi s ono le s os tanz e, tanto più difficilmente attravers eranno la membrana. Il

glucos io, nonos tante s ia neutro, è grande, e non ries ce da s olo ad attravers are la membrana. L e s os tanz e che

non ries cono a pas s are facilmente o non ries cono proprio a pas s are pas s ano attravers o proteine tras portatrici,

che s i trovano nella membrana del neurone e cons entono il tras porto delle s os tanz e, che legano e le

tras protano all'interno o all'es terno.

Q ues to tipo di s trutture s pecializ z ate hanno due caratteris tiche fondamentali:

– la s pecificità: s ono es tremamente s pecifiche, ci s ono cioè proteine che legano e riconos cono s olo ed

es clus ivamente il glucos io, altre che invece fanno pas s are, per es empio, il s odio, e cos ì via. Abbiamo tante

s trutture divers e s pecifiche;

– la modulaz ione allos terica: la maggior parte delle proteine va incontro a modulaz ione allos terica, cioè

quando la nos tra s os tanz a s i lega alla proteina, la proteina va incontro a una modifica della propria s truttura.

G raz ie a ques to cambiamento di s truttura la proteina diventa in grado di far pas s are quella determinata

s os tanz a.

Q ues te proteine pos s ono es s ere di divers o tipo. Un primo tipo s ono i tras portatori, che s i incaricano

fis icamente di tras portare le s os tanz e dall'interno all'es terno e vicevers a, ad es : il tras portatore per il glucos io.

C i s ono poi le proteine‐c anale, le quali s ono s empre proteine che attravers ano la membrana, ma in ques to

cas o le proteine formano al loro interno un canale, che cons ente il pas s aggio di determinate s os tanz e. Q ues to

canale può es s ere o aperto o chius o, quindi ci s aranno momenti in cui le proteine non cons entono il pas s aggio

(chius o) e altri in cui lo faranno (aperto). Q ues ti canali fanno pas s are le s os tanz e con carica elettrica. L e

proteine pres entano un filtro s elettivo, che pres enta cariche di s egno oppos to alla s os tanz a in modo da

attrarle. I canali s ono formati da tante proteine unite as s ieme. C i s ono canali s ens ibili a s timoli di natura

chimica e quindi quando arriverà una determinata s os tanz a (es : nei neurotras mettitori) s i legano ai canali

s ens ibili, cos ì il canale s i apre e fa pas s are una determinata carica elettrica. In ques to cas o s i parla di canali

ionici a porta chimica. Abbiamo poi dei canali s ens ibili a s os tanz e di natura elettrica (canali ionici a porta

elettrica). E s is tono anche canali ionici s ens ibili a s timoli meccanici o termici.

L e forz e che regolano il pas s aggio delle s os tanz e attravers o la membrana s ono due: il flus s o di volume e il

flus s o di diffus ione. Il flus s o di volume riguarda una notevole quantità di particelle (flus s o d'acqua di un fiume)

in un'unica direz ione per lunghe dis tanz e. Il flus s o di diffus ione riguarda una quantità di particelle molto minore

che tendono a muovers i cas ualmente, non hanno perciò una direz ione ben precis a. Inoltre il flus s o di

diffus ione dipende dalla concetraz ione di molecole pres enti. In generale s i muoverà da dove le molecole s ono

più concentrate a dove s ono meno concentrate. Il primo tipo di diffus ione è la diffus ione s emplice: la quantità di

particelle determina il loro pas s aggio, cioè tenderanno a muovers i s econdo gradiente di concentraz ione, da

dove s ono meno concentrate a dove lo s ono di più. Q ues to tipo di diffus ione non richiede cons umo di energia.

Un s econdo tipo di diffus ione è quella facilitata, come nel cas o del glucos io. Anche in ques to cas o dipende dal

gradiente di concentraz ione, ma es s endo il glucos io non libero di pas s are dalla membrana, abbiamo

l'intervento di proteine tras portatrici. I principi di bas e s ono s imili a quelli della diffus ione (ci s i bas a s ul

gradiente), ma in ques to cas o s ono pres enti le proteine tras portatrici e proprio per la pres enz a di ques te, s e c'è

una quantità di s os tanz a maggiore ris petto alla quantità di proteine, una certa parte di s os tanz a rimarrà fuori.

Abbiamo perciò la s aturaz ione del s is tema. Anche in ques to cas o non c'è bis ogno di cons umo di energia.

Il terz o tipo di diffus ione è il tras porto attivo, che invece avviene contro gradiente di concentraz ione. In ques to

cas o la s os tanz a verrà tras ferita da dove ce n'è poca a dove ce n'è molta, lavorando contro il gradiente di

concentraz ione, s i cons uma energia. R icorda: le pompe metaboliche vanno contro gradiente di

concentraz ione, mentre i canali ionici operano s econdo gradiente.

Uniporto: tras porto di un'unica s os tanz a

S importo: tras porto di due s os tanz e nella medes ima direz ione

Antiporto: tras porto di due s os tanz e in direz ioni divers e

C ome funz ionano i neuroni? R IC E V O NO , E L AB O R ANO E D INV IANO INF O R MAZ IO NI, S O T T O F O R MA D I

C O D IC I NE UR AL I, graz ie alle variaz ioni di membrana.

T utti i neuroni funz ionano elaborando s egnali di natura elettrica. Nel neurone a ripos o (cioè non s timolato), ci

s ono determinate s os tanz e più concentrate all'es terno e determinate s os tanz e più concentrate all'interno del

neurone, con una differente dis tribuz ione. In particolare ques te s os tanz e portano cariche elettriche. P er

definiz ione gli atomi o le molecole che portano cariche elettriche s i chiamano ioni. G li ioni principali s ono il

s odio (Na+), il potas s io (K +), il calcio (C a++) e il cloro (C l‐). O ltre a ques ti ci s ono s truttre proteiche che

portano cariche negative, chiamati anioni proteici, indicati col termine generico A‐.

A ripos o, all'es terno del neurone c'è un'elevata concentraz ione di s odio, calcio e cloro. All'interno: potas s io e

anioni proteici. P roprio perchè gli ioni hanno una carica elettrica, non pas s ano normalmente dalla membrana,

quindi nel neurone a ripos o, s e non interviene nulla, il s odio res terà fuori e il potas s io dentro. Q ues ta differenz a

di ioni è creata e mantenuta graz ie alle pompe metabolic he, proteine di membrana che operano contro il

gradiente di concentraz ione dello ione (tras porto attivo). Un es empio di pompa metabolica è la pompa s odio‐

potas s io, che ad ogni ciclo porta all'es terno 3 ioni s odio e all'interno 2 ioni potas s io. L a pompa lega il s odio alla

proteina, in s eguito al legame tenderà a buttarlo fuori, lavorando contro gradiente e quindi cons umando

energia. Il meccanis mo è una modificaz ione allos terica, cioè avviene modificando la s truttura della proteina. L a

s tes s a cos a avviene per il potas s io. C i s ono anche pompe per il calcio o per il cloro.

L a differente concentraz ione di ioni tra interno e es terno del neurone produce una differente dis tribuz ione di

cariche elettriche (pos itive e negative) tra es terno e interno, ovvero produce una differenz a di potenz iale

elettrico (V , mis utato in V olt). Q ues to potenz iale elettrico della membrana neuronale a ris pos o è detto

potenz iale di membrana a ripos o, Vm.

P er pas s are dalla membrana, gli ioni hanno bis ogno di canali ionici. Nel neurone a ripos o abbiamo dei canali

ionici s empre aperti, chiamati per ques to pas s ivi. V ediamo cos a s uccede quando il canale ionico per il potas s io

è aperto: il potas s io quindi es ce, s eguendo il proprio gradiente di concentraz ione. L e cos e s i complicano

perché il potas s io ha anche una carica (pos itiva). Man mano che il potas s io es ce, es cono quindi anche delle

cariche pos itive. A ques to punto, all'es terno del neurone iniz ieranno ad accumulars i delle cariche pos itive. C on

la continua us cita di potas s io, aumenterà la quantità di cariche pos itive che es cono, generandos i cos ì un

gradiente elettrico, che in ques to cas o farà s ì che l'interno diventi più negativo dell'es terno. L a negatività del

neurone tenderà dunque ad attrarre le cariche pos itive che erano us cite. C ontemporaneamente, avremo due

flus s i di ioni potas s io in due direz ioni oppos te: un primo flus s o s egue il gradiente di concentraz ione e andrà

dall'interno all'es terno; un s econdo flus s o avrà direz ione oppos ta. Il primo s egue il gradiente di concentraz ione,

mentre il s econdo il gradiente elettrico. S i arriverà ad un equilibrio in cui la quantità di ioni che es ce è

es attamente uguale ed oppos ta alla quantità di ioni che rientrano. Q ues to equilibrio è elettrochimico, in quanto

s i bas a s u due divers e forz e, una di natura chimica ed una di natura elettrica. In bas e all'equaz ione di Ners t, è

pos s ibile calcolare il valore di equilibrio per il potas s io E K + = ‐90 mV.

L a s tes s a cos a avviene per il s odio. In ques to cas o E Na+ = +55 mV.

Nel neurone a ripos o ci s ono s ia canali per il potas s io s empre aperti che canali per il s odio s empre aperti,

quindi i due pas s aggi avvengono contemporaneamente. G eneralmente però i canali per il potas s io s ono in

numero maggiore che per il s odio. Il valore del potenz iale di ripos o della membrana neuronale Vm = ‐70 mV. Il

valore è quindi più vicino a ‐90 (equilibrio del potas s io) che a quello del s odio (+55), in quanto il neurone è più

permeabile agli ioni potas s io che a quelli s odio.

A ripos o: Na+ C a++ C l‐ fuori; K + A‐ dentro ‐> K + es ce s econdo gradiente, ma pompe metaboliche s i attivano

per riportarlo all'interno e mantenere equilibrio ‐> doppi flus s i in direz ioni oppos ti per giungere all'equilibrio

elettrochimico. P O T E NZ IA L I L O C A L I E P O T E NZ IA L I D'A Z IO NE

L ez ione 3 ‐

L a comunicaz ione elettrica tra cellule è la capacità di us are variaz ioni del potenz iale di membrana per

generare e condurre i s egnali elettrici.

Q uando un determinato s timolo, di qualunque natura, attiva un neurone, nel neurone a ripos o abbiamo il

potenz iale di membrana a circa ‐70 mV con tanto calcio e cloro fuori e tanto potas s io dentro. S upponiamo che

uno s timolo apra il canale per il s odio. Una volta aperto, il s odio tenderà a entrare, in bas e al proprio gradiente

di concentraz ione. Aumenteranno le cariche pos itive nel neurone, in quanto il s odio porta cariche pos itive.

E ntrando cariche