Esame di Neuroscienze (Fisiologia e Anatomia) 2016/2017 - Appunti intero corso - Prof. FOGASSI e BONINI

Parte di anatomia: l'evoluzione

Il nostro cervello fa sempre riferimento alla vita di relazione e ciò spesso viene inteso come qualcosa che ci permette di interagire con il mondo esterno. Andando indietro fino all'organismo unicellulare (primordiale) esempio del paramecio; questo organismo, ad esempio, grazie alle ciglia, nonostante sia una cellula, riesce a muoversi nell'ambiente acquatico e a captare le informazioni dall'ambiente esterno. Ciò ci dice che questa proprietà di interazione con l'ambiente è antica come la vita.

Sistema nervoso

Per riuscire a elaborare l'informazione sensoriale e muoversi all'interno del mondo esterno è necessario un sistema più elaborato: il sistema nervoso. Quest'ultimo ci permette di recepire le informazioni esterne sotto forma di tanti tipi di energie, le quali devono essere trasformate in energia elettrica. Poi, a seconda del livello evolutivo, dal livello di adattamento e dell'ambiente si possono avere sistemi nervosi di complessità differente.

Vertebrati e differenze tra cervelli

Nei vertebrati vi sono varie classi: rettili, anfibi, uccelli, pesci, mammiferi. Differenze di cervelli: alcuni con superficie liscia (specie lissencefaliche), oppure con solchi (soluzione economica per evitare che la crescita del cervello vada oltre le dimensioni del cranio) che si presentano invariatamente in tutta una determinata specie. Questi solchi non sono casuali, ma delineano delle determinate aree (punti di riferimento).

Come possiamo mettere in rapporto i vari cervelli e verificare che effettivamente vi sia stata un'evoluzione? Se si vanno a confrontare le funzioni sensoriali e motorie degli uccelli e dei mammiferi si nota che ci sono molte analogie che derivano dal fatto che si sono staccati da un progenitore comune.

Omologia e analogia

• Omologia: indica il fatto che due specie sono derivate da uno stesso progenitore e quindi condividono determinate strutture (es: l'occhio della scimmia è omologo al primate e ai principali vertebrati).
• Analogia (o convergenza evolutiva): due specie che appartengono a due classi differenti possono avere delle funzioni simili e questo potrebbe portare a pensare che possano derivare da uno stesso progenitore; si parla di analogia perché in realtà vi sono progenitori diversi (es: linguaggio umano e degli uccelli).

Il fatto che le specie si siano differenziate tra di loro con molti anni di differenza ha fatto sì che in alcune specie si siano evolute determinate strutture che non necessariamente poi sono preminenti in specie che sono completamente differenti e appartenenti a un'altra classe, anche se le funzioni possono apparire simili.

Ipotesi sull'evoluzione del cervello

Ipotesi iniziale: più il cervello pesa, più la specie è evoluta. Una cosa ovvia è che è probabile che il cervello segua un rapporto con il peso corporeo. Questo è stata la seconda ipotesi: mettere in rapporto il peso del cervello con il peso corporeo per vedere quale specie era privilegiata da questa relazione. Allora si è andati a vedere un altro indice, ovvero il fattore di encefalizzazione per spiegare l'evoluzione del cervello: da un punto di vista parametrico è espresso con una formula. Si può così notare che ci sono alcune specie che hanno un rapporto maggiore tra peso del cervello e peso globale.

Omeotermi e pecilotermi

Un'altra cosa che si nota: uccelli e mammiferi sono omeotermi (riescono, attraverso dei meccanismi, a mantenere costante la temperatura corporea); mentre i pesci e i rettili sono pecilotermi (animale che non riesce a mantenere una temperatura corporea in rapporto all'ambiente esterno, se si vuole raffreddare deve andare all'ombra e viceversa). Problema: il cervello dipende molto dal metabolismo corporeo e dal mantenimento di una temperatura corporea, per elaborare bene anche gli elementi con il glucosio e l'ossigeno, risultato: funzionamento cerebrale più elevato nelle specie a sangue caldo.

Bisogna considerare però un'ulteriore cosa per quanto riguarda l'evoluzione: se si considerano le strutture all'interno del cervello, esse subiscono la stessa espansione? Effettivamente no, si assiste a delle variazioni differenziali.

Studio del sistema nervoso

Medici specializzati che hanno a che fare con SN: Tipi di neuroscienziati sperimentali, Tecniche neuroanatomiche. Lo studio del cervello può essere fatto su specie molto diverse dal punto di vista evolutivo.

Metodi per studiare il cervello dell'uomo

Il cervello naturalmente è contenuto nella scatola cranica (sistema di protezione). Ha un peso di circa 1.444 cc in volume, ma in realtà ha un peso minore perché è come se galleggiasse in un liquido. Si presenta con un aspetto abbastanza molle, per cui, per studiarlo, deve andare incontro a una serie di procedimenti che servono per renderlo più rigido in modo che poi possa essere sezionabile e colorabile. Presenta una sostanza grigia (neuroni) e una sostanza bianca (fibre). Per studiarlo il cervello va fissato: si deve sostituire i liquidi del cervello con un'altra sostanza (formaldeide) che gli dà una maggiore robustezza. Solo alla fine di questo procedimento si potrà eseguire il taglio del cervello. Quest'ultimo non può essere fatto in maniera arbitraria.

Anatomia del cervello umano

Il corpo dell'animale può essere diviso in:

• Parte caudale: coda
• Parte rostrale: punta della testa
• Parte dorsale: schiena
• Parte ventrale: pancia

In trasparenza: il sistema nervoso (midollo spinale + cervello). Da notare è che l'asse del sistema nervoso coincide con quello del corpo (quadrupede). Il cervello dell'uomo, a differenza degli animali, ha subito una rotazione:

• Parte dorsale: sommità del capo (superiore)
• Parte ventrale: la base è parallela al piano del mento
• Parte rostrale: zona della fronte
• Parte rostrale: zona dell'occipite

L'asse anteroposteriore è quindi ruotata di 90 gradi rispetto all'antenato rettiliano. Ciò che è rimasto uguale è l'orientamento del midollo spinale.

Piani di taglio del cervello

I piani di taglio vengono stabiliti in base a 3 differenti assi: piano coronale, sagittario e orizzontale. Importante è il punto di vista perché permette di capire qual è la destra e la sinistra delle fette ottenute dopo il taglio.

• Piano coronale: è perpendicolare all'asse lungo del cervello e corrisponde al piano della fronte. Permette di ottenere, dopo il taglio, due fette (dx e sx), dove, assumendo una prospettiva di vista da dietro, la fetta di destra corrisponde alla metà destra del cervello e la sinistra alla metà sinistra.
• Piano sagittale: è il piano che passa alla metà del cervello dividendolo in due parti. Tagliando secondo fette parallele a questo piano si ottiene una fetta allungata; guardando di lato l'emisfero di sinistra: ha la porzione posteriore corrispondente alla destra della fetta e anteriore corrispondente alla sinistra della fetta.
• Piano orizzontale: è un piano parallelo al piano del terreno che permette di ottenere delle fette allungate. Dopo il taglio, la fetta viene osservata dall'alto dove la parte destra corrisponde alla parte destra del cervello e viceversa.

Queste fette devono subire una serie di passaggi. Ad esempio, se le si vogliono congelare, si devono inserire all'interno di alcoli crescenti (fino allo Xilolo) poi si fa il passaggio inverso, ovvero si fanno passare attraverso alcoli decrescenti (fino all'acqua). Successivamente si possono inserire le fettine all'interno di coloranti per vedere le cellule (l'eccesso di colorante poi deve essere tolto). I passaggi poi vedono steps di alcoli crescenti e infine la schiarificazione e il posizionamento delle fette in vetrini in questo modo il colorante viene captato solo dalle cellule e lavato via dalla sostanza bianca.

Studio citoarchitettonico

Lo studio citoarchitettonico permette di descrivere l'organizzazione (simile in tutti gli individui di una specie) delle diverse strutture cerebrali. I metodi che mettono in evidenza le cellule sullo sfondo più chiaro, non permette di vedere tutto della cellula. La cellula nervosa è molto diversa da altre cellule, contiene anche dei prolungamenti (perché è un sistema di comunicazione).

Sistema a impregnazione argentica

Sistema a impregnazione argentica: il tessuto nervoso viene immerso in una soluzione con dei sali d'argento che precipitano sui corpi cellulari e sui prolungamenti, permettendo così di mettere in luce tutta la cellula. Questo è il cosiddetto preparato del Golgi. Oltre al sistema di colorazione delle cellule, esiste anche un sistema di colorazione delle fibre nervose, sfruttando il fatto che le fibre contengono una guaina mielinica che può essere colorata con particolari sistemi.

Metodi per studiare le connessioni anatomiche

Da un punto di vista storico, lo studio delle connessioni è iniziato studiando i sistemi di degenerazione cellulare. L'immagine rappresenta due neuroni schematizzati. Al di sopra un neurone sano: intorno nel citoplasma ci sono tanti puntini che sono le zolle di Nissl che sono quelle che si colorano intensamente quando si usa un colorante, che corrispondono al reticolo endoplasmatico (dove vengono sintetizzate le proteine). Al di sotto invece un neurone che ha subito una lesione (che blocca un nervo e può traumatizzare una fibra nervosa) ciò che succede è che nel tempo, dopo la lesione, avvengono dei cambiamenti nella cellula sia nella parte della terminazione che nel corpo cellulare. Nella terminazione accade che nel terminale sinaptico, essendo distaccato dal corpo cellulare a causa della lesione, inizia a degenerare e così anche il bottone stesso. Dopodiché si ha la degenerazione della parte vicino al bottone e della guaina mielinica. Nel corpo cellulare invece c'è un effetto retrogrado: si rigonfia e diminuisce il numero delle zolle di cromatina che sono ora presenti solo all'esterno della parte citoplasmatica del nucleo. Il neurone può così andare incontro a morte.

Questo è un metodo però che sottostima il numero delle connessioni che ci sono tra le strutture nervose. Infatti, nel tempo sono state utilizzate altre metodiche più raffinate.

Principio di base dei traccianti anatomici

Il neurone è un'entità dinamica in cui continuamente avvengono processi di sintesi e organizzazione del materiale prodotto all'interno della cellula e trasportato lungo il neurone. Alcuni di questi materiali vengono trasportati lungo il flusso assoplasmatico che è abbastanza lento; esso porta con sé delle proteine ed il citoscheletro. Nello stesso tempo però ci sono materiali filamentosi all'interno dell'assone costituiti da proteine: microfilamenti, neurofilamenti, microtubuli. Alcuni di questi sono delle costituenti che danno la struttura all'assone. I microtubuli sono paralleli all'asse lungo dell'assone. Sono strutture con la caratteristica di trasportare in modo veloce una serie di organuli dal corpo cellulare alle terminazioni (anterogrado) e viceversa (retrogrado). Tra gli organuli che vengono trasportati ci sono anche le vescicole che servono per il rilascio del mediatore chimico. Ciò mostra che la connessione tra due strutture si può vedere in entrambe le maniere (retrogrado e anterogrado). Nel tempo sono state preparate numerose sostanze che, opportunamente associate ad altre (coloranti), permettono di vedere quali sono i terminali o i corpi cellulari che ricevono le sostanze per via anterograda o retrograda.

Metodiche di visualizzazione cerebrale mediante neuroimmagini

Mediante la tomografia assiale, è stato possibile avere un'idea abbastanza vaga di quella che è la composizione del cervello dell'uomo, perché essa è una sofisticazione della metodica dei raggi X che permette di vedere bene la struttura ossea, ma a livello cerebrale solo strutture grossolane. La tomografia però permette di avere una sezione virtuale del cervello che poi possono permettere una rappresentazione tridimensionale. Da questo principio deriva la tomografia a emissione di positroni. Questa apparecchiatura permette di fare delle scansioni con diverse fette del cervello che poi possono essere ricostruite tridimensionalmente. Ciò che caratterizza questa tecnica dalla tomografia assiale è che permette di fare una valutazione di natura funzionale che riferisce qual è il metabolismo a livello della struttura che si sta studiando. Principio di questa tecnica: si studiano determinati elementi (es: ossigeno, carbonio...) eresi radioattivi mediante l'aggiunta di un protone (mediante un ciclotrone) al nucleo. Il ciclotrone permette di produrre queste sostanze instabili (radionuclidi) i quali perdono la loro radioattività molto velocemente nel tempo. Questo succede nelle zone che sono metabolicamente attive. Ciò che succede è che queste sostanze emettono dei positroni (particelle caricate positivamente), che servono per la preparazione di un bolo che viene iniettato nella persona che si vuole studiare. I positroni raggiungono gli elettroni vicini e subiscono un processo di annichilazione tramite i quali vengono prodotti due raggi gamma che vanno in due direzioni opposte. Si ha così la rilevazione di un segnale, ottenuto mediante una serie di sensori che si trovano intorno al cervello della persona all'interno della macchina; i sensori accoppiati opposti permettono la rilevazione della produzione dei raggi gamma. Alla fine si ottengono delle immagini con regioni più colorate che rivelano la maggiore attività metabolica. Tuttavia, questa tecnica da un punto di vista anatomico non ha un alto livello di risoluzione. Nel tempo sono quindi state introdotte altre tecniche che permettono di avere una maggior capacità di rilevare alcune strutture; tra di queste c'è la risonanza magnetica nucleare.

Risonanza magnetica nucleare

La risonanza magnetica nucleare che è stata usata inizialmente per determinare le strutture molecolari si è visto che può essere usata anche per determinare le caratteristiche del cervello. Il principio di base di tale tecnica è l'applicazione di un campo magnetico. Prima dell'applicazione del campo magnetico le molecole hanno degli assi di orientamento che sono diretti nelle più svariate direzioni, il campo magnetico esterno serve per orientare tutte le molecole polari in una determinata direzione. A questo punto si inserisce un ulteriore campo magnetico (delle radiofrequenze) che fanno sì che queste molecole abbiano un movimento di rotazione su se stesse la cosiddetta processione. Ciò che è interessante vedere è quello che accade quando le radiofrequenze vengono tolte. Quando vengono tolte, accade che vi è un cambiamento a livello della magnetizzazione (verticale e orizzontale); ovvero queste molecole tendono a riprendere il loro orientamento (tempo di rilassamento t1, t2) originale con diverse tempistiche. A seconda delle strutture a cui le molecole sono vicine, i tempi di rilassamento sono diversi e questa diversità permette di mettere in evidenza la diversità tra sostanza grigia e bianca. Più è alta l'intensità del campo magnetico più si riescono a rilevare meglio le caratteristiche delle strutture. Rispetto alla tomografia a emissione di positroni (può essere fatta una sola volta nella vita e non viene mai fatta, invece, alle donne); è meno invasiva perché non implica alcuna iniezione di una sostanza radioattiva.

La struttura del sistema nervoso centrale

Il sistema nervoso centrale è formato da due componenti: somatica e autonoma. La suddivisione sulla destra è quella basata sullo sviluppo embriologico: il midollo spinale, il telencefalo, il mesencefalo, e il romboencefalo. A livello della suddivisione anatomica vi è la suddivisione in midollo spinale, tronco dell'encefalo (bulbo, ponte e mesencefalo), cervelletto, diencefalo e emisferi cerebrali. L'encefalo si trova all'interno della scatola cranica e il midollo spinale all'interno della colonna vertebrale.

Il midollo spinale

È contenuto all'interno della colonna vertebrale, che insieme al liquido cefalorachidiano lo proteggono. È organizzato secondo l'andamento delle varie vertebre. Arriva fino all'inizio delle vertebre lombari, il resto non contiene il midollo ma solamente i nervi spinali (cauda equina). Il midollo, che costituisce la parte più primitiva del SN, è suddiviso in 4 segmenti (organizzazione metamerica, ovvero basata sulla suddivisione embrionale): cervicale, toracico, lombare e sacrale. Egli riceve degli input (o “afferenze”) − informazioni d’entrata − dalla cute, dai muscoli e dalle articolazioni (sia dal tronco che dagli arti superiori e inferiori), ma non dalla faccia della testa (sono di pertinenza del tronco dell'encefalo). Le informazioni in uscita invece li manda verso i muscoli, per quello che riguarda la componente somatica del midollo e invece per quello che riguarda la componente autonoma, verso gli organi effettori (vasi sanguigni, ghiandole e muscolatura liscia). Le afferenze ed efferenze sono collegate con il midollo spinale tramite un raggruppamento dei nervi spinali che escono tra una vertebra e l'altra. All'interno del midollo ci sono dei neuroni (sensoriali, motori e interneuroni) e dei collegamenti che o rimangono all'interno del midollo o servono per collegare quest'ultimo con le strutture superiori (es: corteccia cerebrale). Questi collegamenti sono assicurati dalle vie discendenti e ascendenti.