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Psicobiologia

Le cellule del sistema nervoso

Le cellule del sistema nervoso e le loro caratteristiche.

• Il sistema nervoso centrale (SNC) è costituito dall'encefalo e dal midollo spinale ed è racchiuso entro le ossa del cranio e della colonna vertebrale.
• Il sistema nervoso periferico (SNP) 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.

Il sistema nervoso costituisce circa il 2% del peso del nostro corpo ma consuma quasi il 20% dell'ossigeno e dell'energia.

• Neuroni (circa 100 miliardi)
• Cellule gliali (1000-2000 miliardi)

Il sistema nervoso contiene altri tipi di cellule: epiteliali, ependimali, del tessuto connettivo, ecc.

• I neuroni sono responsabili dell'attività elettrica del SN.
• Le cellule gliali svolgono principalmente funzione di isolamento elettrico e di supporto ai neuroni. Sono circa 10 volte più numerose dei neuroni ma la loro dimensione è in media un decimo di quello dei neuroni cosicché il volume occupato da questi due tipi di cellule non è molto diverso. 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.

Se noi prendiamo il cervello umano, metà del suo peso è costituito dai neuroni e metà dalle cellule gliali. Questo nell'essere umano adulto; in un neonato la proporzione è molto diversa. Gli esseri umani hanno una caratteristica, hanno il cervello molto più grande rispetto agli altri mammiferi e quindi hanno un problema alla nascita, la dimensione della testa del bambino, fa fatica a passare dal canale uterino e la soluzione che è stata trovata è stata quella di far nascere il cervello con tutti i neuroni, ma con poche cellule gliali. Questa è una delle ragioni per cui i bambini sono estremamente dipendenti alla nascita. Nei primi mesi le cellule gliali aumentano di dimensione e numero perché sono come tutte le altre cellule dell'organismo che vanno incontro a mitosi e quindi aumentano di numero mentre i neuroni no. Uno dei problemi che può dare il fatto che si riproducano sono i tumori. I tumori sono tutti dovuti alle mutazioni di cellule gliali e non di neuroni con poche eccezioni; i neuroni non facendo mitosi molto difficilmente possono mutare in tessuto tumorale.

I neuroni

Il neurone è costituito da tre distinte regioni:

• I dendriti
• Il corpo cellulare o soma
• L'assone

Assone e dendriti vengono spesso designati con il nome di "neuriti". L'assone è unico e molto lungo, mentre i dendriti sono organizzati come i rami di un albero, tendono ad assottigliarsi. Nel soma si trova tutto ciò che fa funzionare la cellula. Sono contenuti il nucleo e gli altri organelli citoplasmatici che servono per la sintesi delle macromolecole e per regolare il metabolismo cellulare. Il diametro può variare tra i 10 e i 100 µm. A livello del soma, inoltre, avviene solitamente l'integrazione dei segnali raccolti dai dendriti.

Il range della cellula del neurone è lo stesso di una cellula eucariote del nostro organismo mentre è mediamente più grande di una cellula procariote. I dendriti sono di norma più d'uno e appaiono molto ramificati. Essi ricevono info dalle altre cellule neuronali. Sono talvolta provvisti di specializzazioni chiamate spine dendritiche. La lunghezza può variare tra i 20 e i 2000 µm. Il diametro dei dendriti tende normalmente ad assottigliarsi man mano che ci si allontana dal soma.

Le spine dendritiche sono strutture specializzate dove il dendrite riceve il contatto sinaptico da altre cellule neuronali (in azzurro). L'assone conduce l'impulso nervoso lontano dal neurone che lo ha generato. Il diametro è normalmente tra i 0.2 e i 20 µm 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. Tipicamente vi è un solo assone anche se talvolta esso può ramificarsi al suo apice dando luogo a dei collaterali.

L'impulso nervoso si origina in una zona del soma alla base dell'assone chiamato monticolo assonico (o cono d'emergenza o cono d'integrazione). L'impulso nervoso si propaga lungo l'assone fino ai bottoni delle terminazioni sinaptiche. La maggior parte della cellula è nuda ma la parte relativa all'assone è ricoperta da una guaina, la guaina mielinica, prodotta non dal neurone stesso, ma da cellule col compito di coprire il neurone e sono cellule gliali. Gli assoni delle cellule possono viaggiare da soli, ma spesso quando devono fare dei tratti lunghi e vi sono parecchi neuroni che proiettano nella stessa area viaggiano insieme, in strutture che si chiamano nervi quando sono nel sistema nervoso periferico, o tratti quando sono nel sistema nervoso centrale.

La sinapsi è una struttura specializzata costituita da due cellule nervose. La direzione del flusso dei segnali elettrici nei neuroni va dai dendriti al soma all'assone fino alle terminazioni presinaptiche. I neuroni non lavorano da soli ma sono connessi tra loro a formare circuiti neurali. Il numero di terminazioni sinaptiche che ciascun neurone può ricevere varia da 1 a 100.000.

La classificazione dei neuroni

Ci sono molti criteri diversi attraverso i quali i differenti neuroni possono essere riconosciuti e classificati; 1mm = 1000 µm (micron).

Dimensione: 1 µm = 1000 nm (nanometri). Il soma dei neuroni può variare in diametro tra 10 µm e 100 µm.

Funzione:

• Neuroni sensoriali → rispondono a dei segnali esterni, trasformano i segnali esterni all'organismo in segnali elettrici che sono comprensibili per il cervello che li può elaborare.
• Interneuroni → tra gli altri due tipi esistono questi che servono ad elaborare le info che entrano dal sistema sensoriale, prendere decisioni e in base a quello che decide mette in moto il sistema motorio. Esistono i neuroni afferenti (da fuori entrano), e i neuroni efferenti (dal centro verso la periferia).
• Motoneuroni → che comandano il sistema effettore, permette a tutti gli animali di muoversi e agire nell'ambiente circostante. Nei vertebrati scheletro e muscoli.

Anche gli organismi più semplici presentano la stessa suddivisione di funzioni: stimolo → sistema sensoriale → integrazione → sistema effettore → risposta. Sistema sensoriale e sistema effettore presentano caratteristiche molto simili in organismi diversi quali la mosca e l'uomo. Il sistema di integrazione al contrario è molto differente.

Forma:

• Unipolari
• Bipolari
• Multipolari

Unipolari: tipici dei vertebrati ma si trova spesso anche nel sistema sensoriale dell'uomo. È la forma tipica di molti neuroni sensoriali. Non vi sono dendriti.

Bipolari: molto comuni anche questi nel sistema sensoriale. Un singolo assone e un singolo dendrite.

Multipolari: più comune di un neurone. Un solo assone normalmente e molti dendriti.

Lunghezza dell'assone: I neuroni della corteccia si differenziano per la lunghezza dell'assone, la quale è associata alla funzione:

• Iº tipo del Golgi (assone lungo) neuroni di proiezione, cioè sono neuroni che mandano il loro assone molto lontano.
• IIº tipo di Golgi (assone corto) neuroni a circuito locale, comunicano con cellule che si trovano nello stesso posto.

Tipo di neurotrasmettitore:

Ci sono circa una cinquantina di diversi neurotrasmettitori nel nostro cervello, a seconda del tipo possiamo avere dei:

• Neuroni colinergici: usano l'acetilcolina come neurotrasmettitore;
• Neuroni dopaminergici: usano la dopamina come neurotrasmettitore.

Le cellule gliali

Le cellule del sistema nervoso:

• Neuroni → responsabili dell'attività elettrica del SN;
• Cellule gliali → varie funzioni di supporto all'attività dei neuroni;

Le cellule gliali svolgono nel SN molte funzioni fondamentali:

• Riempiono lo spazio separando un neurone dall'altro e isolano elettricamente gli assoni perché i neuroni non possono essere uno attaccato all'altro in quanto nel momento in cui sono attivi elettricamente lo spazio extracellulare che li circonda si modifica di carica elettrica e quindi se li mettiamo uno affianco all'altro finirebbero per influenzare il loro funzionamento quindi devono essere tenuti separati e lo spazio viene riempito da cellule gliali;
• Nutrono i neuroni;
• Mantengono stabile la composizione dello spazio extracellulare importante in quanto lo svolgimento dell'attività elettrica del cervello si basa fondamentalmente su variazioni di concentrazioni di ioni interni e esterni alla cellula. La concentrazione interna viene variata dal neurone stesso grazie ai suoi meccanismi fisiologici, quella esterna deve rimanere più costante possibile. I nostri tessuti lavorano bene lo stesso, il nostro cervello no.
• Guidano la crescita e la ricrescita delle cellule neuronali;
• Riparano i tessuti e difendono dai patogeni (sostituendo il sistema immunitario).

Alcune cellule gliali fanno molte di queste funzioni, altre fanno solamente una di queste funzioni, ma nel complesso le fanno tutte.

Le cellule gliali si dividono in due grandi categorie:

• Microglia
• Macroglia:
  • Astrociti
  • Oligodendrociti
  • Cellule di Schwann

La ragione per dividerle non è solo di dimensione (piccola-grande) ma anche di origine.

Le microglia:

Mentre le macroglia hanno la stessa origine embriologica dei neuroni, le microglia derivano dal mesoderma (in particolare dai macrofagi). La principale funzione delle microglia è quella di riparare i tessuti danneggiati fagocitando quel che rimane delle cellule morte. Funzione semplice.

Gli astrociti

Sono delle cellule importantissime:

• Sono le più numerose e versatili tra le cellule gliali;
• Prendono il loro nome dalla loro forma a stella;
• Svolgono molte funzioni importanti:
  • Svolgono le funzioni di fagocitosi come le microglia.
  • Catturano i neurotrasmettitori che fuoriescono dalla fessura sinaptica e li metabolizzano.
  • Tamponano la concentrazione extra-cellulare del K⁺.
  • Producono i growth factors ed hanno un ruolo fondamentale nella risposta rigenerativa ad un trauma.
  • Nutrono i neuroni e contribuiscono a formare la barriera emato-encefalica.

Grazie a questo loro ruolo, gli astrociti assieme alle cellule endoteliali dei vasi vanno a costituire la barriera emato-encefalica. Il cervello è attraversato dal sistema circolatorio, come ad esempio un muscolo, ma c'è una differenza sostanziale ed è che mentre nel muscolo il sangue esce dal sistema circolatorio, va nei capillari e poi passa al tessuto e il tessuto è quindi bagnato dal sangue, il cervello invece non è bagnato dal sangue (ma da un altro liquido, il liquido cerebrospinale), è attraversato dai grandi vasi con cui non comunica minimamente. Gli astrociti si incaricano di trasportare le sostanze tra neuroni e sistema circolatorio. Per far sì che una sostanza raggiunga i neuroni bisogna fornirla di una molecola che passi la barriera emato-encefalica ovvero che passi la barriera tra vaso sanguigno e neurone. In questo modo fa sì che gli agenti patogeni non entrino nel cervello, perché non esistono vie dirette di comunicazione quindi da un lato non ha sistema immunitario e per questo è molto vulnerabile, d'altra parte è chiuso dentro una capsula e quindi nessun batterio dovrebbe entrare anche se a volte succede se c'è un danno all'interno della barriera endo-cefalica oppure se viaggia al contrario lungo l'assone come ad esempio l'herpes, questo accade molto raramente ma quando accade è molto grave.

La barriera emato-encefalica

Grazie alla barriera emato-encefalica (e al lavoro degli astrociti) viene controllato il passaggio di tutte le molecole (dagli ioni alle macromolecole) all'interno del SNC; le sue funzioni principali sono:

• Evitare che virus e batteri penetrino nel SNC;
• 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);
• Evitare il contatto dei neuroni con molte sostanze presenti nel sistema circolatorio che hanno un forte effetto sui neuroni (ad esempio l'amminoacido acido glutammico presente nel sangue anche ad altre concentrazioni, nel sistema nervoso viene utilizzato come neurotrasmettitore ed è pertanto in grado di eccitare molti neuroni).

Le molecole liposolubili passano molto facilmente la barriera perché attraversano le membrane plasmatiche, molte droghe sono liposolubili, hanno un effetto sul SNC perché riescono spontaneamente ad attraversare le membrane delle cellule. Altre molecole invece passano solo se ci sono dei meccanismi attivi di trasporto che decidono se e quanti ne passano. Gli ioni non passano assolutamente mentre ossigeno e CO₂ passano spontaneamente.

A differenza delle microglia che lo fanno un po' ovunque e intervengono localmente quando muore un neurone si occupano di riparare i danni, gli astrociti hanno un'altra possibilità, ovvero camminano. Sono specializzati per la fagocitosi delle cellule morte. Si spostano all'interno del SNC usando i loro processi come pseudopodi (come fa l'ameba).

La b. e la c. si assomigliano, catturare il neurotrasmettitore o il potassio che esce. Una sinapsi completamente circondata dagli astrociti (segnati con A). Gli astrociti catturano i neurotrasmettitori che fuoriescono dalla fessura sinaptica e li metabolizzano (impedendo che possano agire su sinapsi diverse da quelle che li hanno rilasciati). Come i fili del telefono, la chiamata non può arrivare al vicino al posto che a casa nostra. Tutto ciò che scappa fuori viene ridato al neurone che l'ha prodotto.

c. Quando vi è un'intensa attività elettrica del neurone vi è una fuoriuscita di grandi quantità dello ione potassio (K⁺). 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 altri ioni mantenendo stabile la composizione del liquido extra-cellulare.

Gli astrociti sono in comunicazione tra loro mediante giunzioni comunicanti (note anche col nome di giunzioni serrate o gap junctions) in modo tale che sia gli ioni, i neurotrasmettitori o le altre sostanze in eccesso che vengono riassorbite, che le sostanze nutritive sono distribuite in una rete di cellule collegate tra loro.

d. I growth factors o fattori di crescita neurale, sono delle proteine che 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. Sono molecole chimiche particolari che vengono rilasciate dalla cellula e che ha proprietà di avere un gradiente di concentrazione, man mano che ci si allontana dal tessuto nervoso è sempre meno concentrata; questo gli permette di fare da faro. Quando il cervello si sta sviluppando, nell'embrione, nelle prime fasi della crescita o negli adulti a seguito di un danno cerebrale che viene riparato, ci sono determinati neuroni che devono andare a connettersi con neuroni che si trovano a 1 mm più in là del cervello; come fanno a sapere con quale cellula devono legarsi per creare un circuito è guidato dai growth factors che sono in gran parte liberati dagli astrociti.

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). Rita Levi-Montalcini ha ricevuto il Premio Nobel per la medicina nel 1986. Alcuni GF funzionano come un faro chimico che attrae l'assone in crescita, altri invece lo respingono.

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: il peso era leggermente, ma significativamente superiore rispetto ai controlli; lo spessore della corteccia era minore ma questa era più estesa; 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; la densità dei neuroni era leggermente, ma significativamente superiore ai controlli; 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 cervello di AE (ma potrebbe essere semplicemente perché utilizzava di più il cervello).

Gli oligodendrociti e le cellule di Schwann

Molto diverse ma svolgono la stessa importante funzione. 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. Come la copertura di gomma che copre i fili, isolante e quello che ci sta dentro è il conduttore. Non è prodotta però dal neurone stesso. La guaina mielinica è composta per l'80% di lipidi e per il 20% di proteine. La mielina è prodotta da cellule gliali:

• Nel SNC è formata dagli oligodendrociti;
• Nel SNP è formata dalle cellule di Schwann;