Fisiologia degli organi e dei sistemi, parte 2

Sistema nervoso e sue funzioni

NB: Fisiologia cellulare = domanda sicura, condizionante per il proseguimento dell'esame!

Descrizione del sistema nervoso

Il sistema nervoso è l'organo controllore di tutte le altre funzioni. È un organo diverso dagli altri, con forma e divisioni non bene definite. Le varie funzioni del cervello cambiano a seconda dell'area, ma non ci sono strutture che ci facciano capire a cosa servono le varie zone. Unità funzionale del cervello qual è? Qual è la minima struttura anatomica che svolge una funzione simile a tutto il resto dell'organo?

Durante la vita fetale

Durante la vita fetale: SNC = cervello + MS occupano un volume enorme del corpo che sta crescendo, rispetto ad un corpo adulto: ~ 30-40% del peso corporeo, la sua presenza è importante per lo sviluppo di tutti gli altri organi perché deve prendere contatto con tutti gli altri organi per poi controllare le loro funzioni una volta che l'organismo si è formato. È uno dei primi organi che si forma quando c'è l'abbozzo embrionale, tubo neurale = prima cosa che si forma nell'embrione. Cominciamo a svilupparci dal SN, poi man mano si formano tutti gli altri organi. SNC = cervello + MS, tutto il resto è SNP. Il cervello è una struttura amorfa con tutta una serie di circonvoluzioni che hanno lo scopo di far stare il cervello, che ha una superficie molto ampia, in una calotta cranica che è molto più piccola: il cervello durante l'evoluzione è cresciuto molto più in fretta rispetto alla parete ossea che lo contiene e quindi ha dovuto "raggomitolarsi" su se stesso formando queste pieghe.

Tecniche di immagine del cervello

• TC = tomografia computerizzata: radiografie fatte a vari livelli e poi i computer ricostruisce le immagini di ogni livello (come se fosse 'tagliato' a fette).
• PET = tomografia ad emissione di positroni: utilizzo di traccianti radioattivi (di solito glucosio radioattivo). NB: il cervello a differenza dei muscoli può usare solo glucosio per ricavare energia (non è in grado di fare glucogenesi o usare lattato). Il glucosio è captato dai neuroni in base alla loro attività e poi tramite una ricostruzione al computer le parti rosse sono quelle parti del cervello che stanno accumulando più glucosio e quelle blu quelle che non lo accumulano per niente. Si stimola una persona per vedere quali aree del cervello si accendono captando più glucosio.
• NMR = risonanza magnetica nucleare: attraverso un magnete si cambia l'orientamento degli spin degli e- e dei vari componenti della materia biologica, e a seconda del tipo di elementi, di come è fatta la materia e di come questi spin alterano il campo magnetico, vengono ricostruite immagini reali praticamente istologiche.

Struttura del cervello

Il cervello, come tutti gli altri organi del corpo, è fatto da cellule ricche di prolungamenti = neuroni, che hanno forme molto diverse in base alla funzione che devono svolgere:

• Dendriti percepiscono i messaggi.
• Assoni li portano alla periferia.

Ad esempio, un neurone ricco di dendriti e un solo assone (Purkinje nel cervelletto) è un neurone in grado di ricevere tantissimi impulsi e informazioni da altri neuroni per poi coordinare molte funzioni attraverso un segnale che manda attraverso il suo assone.

Rispetto a una cellula qualsiasi del corpo, il neurone ha un nucleo molto grosso e il corpo cellulare ha poco citoplasma, questo perché il citoplasma è "infilato" anche negli assoni e nei dendriti (se un neurone fosse rotondo con i prolungamenti retratti, sarebbe come una qualsiasi altra cellula).

Nel citoplasma è presente il nucleolo ben visibile con RNA di deposito, di riserva, in modo che quando c'è la richiesta di trascrizione, possa agire immediatamente; e poi serve alla funzione stessa del nucleo = attività trascrizionale e sintesi proteica molto elevata.

Anche l'apparato di Golgi è molto grosso e sviluppato: produce tutte le vescicole che contengono neurotrasmettitori (le proteine prodotte dal RER vengono depositate nel Golgi e da qui nascono le vescicole). Ci sono anche molti mitocondri; tanta attività metabolica e alto consumo energetico da parte del cervello perché è sempre in attività.

Sono inoltre presenti corpi di Nissl = aggregati di RNA pronti per essere tradotti in proteine (in modo che al momento della trascrizione sia subito disponibile RNA per la sintesi proteica).

Cellule gliali

Nel cervello, oltre ai neuroni, sono presenti altre cellule = cellule gliali (ci sono almeno 4 popolazioni di cellule, tutte ramificate come i neuroni):

• Astrociti (2 popolazioni simili) sono tutti in forma protoplasmatica (hanno un albero di prolungamenti simili ai neuroni) e sono fibrosi e protoplasmatici (presenti più che altro in età fetale e neonatale, ma poi nell'adulto non ci sono più perché si trasformano in fibrosi). Sono le cellule gliali vere e proprie perché non danno solo supporto alla struttura cerebrale, ma partecipano in modo attivo alla vita e funzione dei neuroni e del SN: forniscono metaboliti, nutrimento, metabolizzano scorie, intervengono a volte anche nella sintesi dei neurotrasmettitori, ma non possono portare un segnale, non ne sono in grado. A volte si pongono tra neuroni e vasi sanguigni con dei "piedini"= podociti, grazie ai quali ricoprono i vasi facendo da "filtro" per quello che esce dai vasi e deve andare a prendere contatto con i neuroni = fanno da tramite tra circolazione sanguigna e neuroni stessi (barriera emato-encefalica). (Si identificano con un marcatore specifico che riconosce la loro proteina specifica fibrillare = GFAP).
• Cellule della microglia = macrofagi che fungono da prima difesa per possibili infezioni di questo organo (non è ancora chiaro se sono macrofagi circolanti nati nel MO, che entrano nel SN e poi cambiano forma; oppure se c'è una colonia di macorfagi residenti che nascono/derivano da precursori presenti nel SN. Probabilmente entrambi, comunque hanno attività macrofagica allo scopo di difendere il SN dai primi attacchi di batteri/virus e di andare a 'mangiare' residui di neuroni morti).
• Oligodendrociti = cellule che producono la guaina mielinica all'interno del SNC (nel SNP sono le cellule di Schwann). La cellula inizia ad avvolgere la propria membrana citoplasmatica a più strati attorno agli assoni creando degli strati di isolante (manicotti) che permettono la conduzione saltatoria in quei punti dell'assone 'nudi', non ricoperti da guaina = nodi di Ranvier. Marcatore specifico = anticorpo che riconosce specificamente delle proteine presenti solo nei neuroni (come i neurofilamenti).

Impulso nervoso e velocità di trasmissione

L'impulso nervoso e la sua velocità di trasmissione non dipendono solo dalla presenza o meno della guaina mielinica, ma anche dal diametro dell'assone: gli assoni con diametro maggiore conducono anche più velocemente l'impulso. Infatti, aumentando il diametro di un tubo/filo in elettrica, oltre ad aumentare la portata, diminuiscono le resistenze = aumento di efficienza dei neuroni.

• I. A! (dei motoneuroni!): controllano le contrazioni del muscolo striato che deve fare movimenti molto veloci. Hanno un diametro molto grosso (13-20 "m) e possono raggiungere una velocità massima di 120 m/s (velocità di un aereo/astronave!).
• II. A!: diametro di 6-12 "m e velocità di 35-75 m/s.
• III. A": diametro di 1-5 "m e velocità di 5-35 m/s (come un 100 metrista!).
• IV. C (= fibre amieliniche molto piccole e sottili): diametro di 0.2-1.5 "m e velocità molto bassa = 2 m/s. Sono molto spesso usate dalle vie dolorifiche perché il dolore non è un segnale che deve viaggiare molto veloce e quindi risparmiare E l'organismo utilizza questo tipo di assoni.

Neuroni e spine dendritiche

La maggior parte dei neuroni eccitatori presentano piccoli rigonfiamenti della membrana postsinaptica dei dendriti = spine dendritiche (spine di una rosa). Si calcola che ogni neurone abbia circa 100mila contatti con altri. Queste spine sono il sistema di ricezione di una sinapsi data dall'assone di un neurone che arriva vicino al rigonfiamento per trasmettere il segnale (è quello che avviene a livello dei neuroni paragonato alla placca neuromuscolare del muscolo): arriva un neurone che con il proprio assone libera neurotrasmettitori = per poter ricevere i segnali i neuroni devono avere questi siti di riconoscimento, presenti solo sui dendriti perché l'assone deve trasmettere il segnale! Sono implicate nei processi di memorizzazione (memoria), legati al fatto che vengono costruite/distrutte spine dendritiche. Possono essere di diversi tipi: una terminazione sinaptica con un neurone, un assone con rigonfiamenti simili a quelli del muscolo liscio che, liberando neurotrasmettitore, va a colpire più neuroni contemporaneamente (segnale più diffuso), e placca neuromuscolare (neurone a contatto con una fibra muscolare striata).

Neurotrasmettitori e mediatori chimici

I neuroni comunicano fra loro e trasmettono i segnali mediante dei neurotrasmettitori e mediatori chimici, quasi tutti derivati da aa: acetilcolina, GABA e glicina (inibitori), glutammato (eccitatorio), aspartato; istamina- antistaminici, ATP, serotonina, dopamina, adrenalina, noradrenalina e vari peptidi (enchefalini, neuropeptidi ipotalamici). Questi neurotrasmettitori vanno ad interagire poi con dei specifici recettori, nelle sinapsi di tipo chimico. Si possono individuare anche delle vie che usano prevalentemente dei determinati neurotrasmettitori. Ad esempio, neuroni dopaminergici sono presenti solo nella sostanza nera e nella sostanza sopra l'ipotalamo e mandano proiezioni a coprire la maggior parte della corteccia (questa trasmissione subisce i danni maggiori in caso di Parkinson tremore = mancanza di controllo sui muscoli); la maggior parte dei neuroni noradrenergici sono nel locus ceruleus (zona del tronco) e proiettano dappertutto, anche al cervelletto = disposizione a gruppi di neuroni che producono un certo neurotrasmettitore che poi proiettano ad altre aree andando così a modificare l'attività delle altre aree. Tutte le vie transitano all'interno del corpo calloso (lobo del cingolo = ricca zona di sostanza bianca fatta di assoni mielinizzati) prima di prendere una via di uscita verso la corteccia. Ogni neurotrasmettitore ha delle sue zone "colonizzate" ed è come se fosse deputato prevalentemente a determinati tipi di funzioni.

Liberazione delle vescicole di neurotrasmettitore

PA le fa liberare grazie all'ingresso di Ca nella terminazione nervosa, la molecola va ad interagire con i recettori postsinaptici e la vescicola viene riciclata nel momento in cui viene rivestita da proteine specifiche che, riconoscendo che è vuota, la ricoprono e richiudono per riciclarla nell'endosoma dove vengono prodotte altre vescicole.

Patologie del sistema nervoso

Ci sono patologie del SN legate al malfunzionamento di questi sistemi a livello della sinapsi e di tutti i meccanismi che avvengono all'interno della membrana presinaptica:

• Sindromi miasteniche congenite (malattie genetiche) dovute ad un'alterata endocitosi (non si ha più il riciclo delle vescicole) perché sono legate alla mancanza/malfunzionamento di una proteina = si ha l'esaurimento della terminazione nervosa che non è più in grado di trasmettere segnali.
• Sindrome di LEMS colpisce i canali presinaptici del Ca (dovuta ad alterazioni geniche).
• Tossine botuliniche e tetanica vanno a colpire le proteine SNARE, coinvolte nella fusione della vescicola contenente il neurotrasmettitore con la membrana presinaptica. Queste proteine servono a fissare la vescicola nel momento in cui si avvicina alla membrana presinaptica: si ha un'interazione fisica tra queste e le proteine presenti a livello della membrana della terminazione e questo legame è favorito dal Ca: fa in modo che le SNARE aprano i loro siti di legame per interagire con le proteine della membrana così che la vescicola si attacchi ad essa; questo porta poi alla fusione stessa. Le tossine tetano e botulino agiscono a questo livello legandosi alle SNARE e bloccandole, bloccando la sinapsi (la tossina botulinica si può trovare di diversi tipi, e in base al tipo, può legarsi in siti diversi delle SNARE).

Non esistono farmaci che possono funzionare a questi livelli, ma ci sono anticorpi che aggrediscono la tossina (= proteina creata da batteri) e la neutralizzano = si fanno immunoterapie in caso di infezione tetanica o botulinica (iniezione di anticorpi). Se si fa la vaccinazione prima, il corpo è pronto ad infezioni di questo tipo.

Post sinaptic dencity

Post synaptic density = densità postsinaptica che ferma di più gli e- se vista al microscopio. Questa densità è dovuta a tutte le proteine presenti in questa zona: neurotrasmettitori liberati che interagiscono con i recettori. Vescicole chiare contengono neurotrasmettitore e scure, che indicano che stanno liberando neuropeptidi, più grossi che fermano di più gli e-.

Neurotrasmettitori e neuropeptidi

Neurotrasmettitori e neuropeptidi sono fatti da aa di diversa natura. Esempi:

• Enchefaline deriva dall'oppio (oppioidi endogeni): molecole che svolgono la stessa funzione della morfina riducendo il dolore (antidolorifici endogeni); sono quelli che vengono liberati, ad esempio, durante uno sforzo fisico, durante il quale per lo stress non si sente dolore ma si sente quando lo sforzo è terminato: fanno in modo che si riesca ad affrontare uno stress sentendo meno il dolore.
• Sostanza P (pain) è un mediatore del dolore: quando viene liberato, il cervello sente dolore soprattutto a livello cutaneo e periferico.

Per la sintesi di questi peptidi l'organismo usa questo meccanismo: il gene che codifica per questi peptidi non codifica solo per loro, ma codifica sempre per un precursore molto più grosso = pre-propeptide (è una proteina molto lunga che può essere divisa in domini che possono dare propetidi diversi). Al pre-propeptide viene tolto il peptide segnale (che serve per portarlo dal RE al Golgi), e rimane quindi il propeptide. A seconda del tipo di cellula in cui viene prodotto questo peptide (= al corredo di peptidasi che ha la cellula), potrà essere tagliato in modo diverso per generare peptidi diversi. C'è un precursore comune che la cellula decide come usare; questo dà il vantaggio di ridurre il numero di geni altrimenti avremmo un genoma immenso (se ci fosse un gene per ogni peptide), invece il gene codifica per un precursore, e in base a come questo viene tagliato ci saranno peptidi diversi.

Es: pro-oppio-melanocortina

A livello dell'ipofisi, la pro-oppio-melanocortina viene tagliata liberando la corticotropina (ACTH = ormone liberato dall'ipofisi) e la β-lipotropina (funge da ormone nel controllo del t. adiposo); questa a sua volta può essere tagliata dando la γ-lipotropina e la β-endorfina, che non ha nulla a che vedere con i lipidi però è un antidolorifico = se la cellula non ha bisogno di β-endorfina si ferma prima, se invece ne ha bisogno basta che tagli via il pezzo e le rimane l'antidolorifico. In altre cellule dell'ipotalamo, la pro-oppio-melanocortina viene tagliata in modo diverso (non si forma ACTH).

Questo meccanismo serve anche ad amplificare il numero di peptidi perché da un precursore si possono anche ottenere più di un solo peptide (la pre-pro-encefalina diventa pro-encefalina, che contiene diverse sequenze uguali dell'encefalina = da una sola trascrizione genica si possono ottenere 6 encefaline, peptidi attivi).

Trasporto delle vescicole

Il trasporto delle vescicole avviene per trasporto lento/veloce attraverso i binari dei microtubuli. Le sinapsi avvengono o solo con neurotrasmettitori o solo con neuropeptidi (funzione mediatoria) ma anche con entrambi (vescicole chiare e scure contemporaneamente).

Perché una stessa terminazione deve contenere due mediatori chimici diversi? Perché i neurotrasmettitori in genere hanno una vera funzione di trasmissione del segnale, i neuropeptidi hanno una funzione modulatoria.

Ad esempio se si ha una stimolazione bassa del neurone (frequenza bassa di PA) = la depolarizzazione della membrana fa entrare Ca nella terminazione in quantità sufficienti solo per liberare le vescicole piccole e chiare di neurotrasmettitore. Se la stimolazione invece aumenta ed è troppo forte = si rischia che venga rilasciato troppo neurotrasmettitore = vengono liberati anche neuropeptidi (= neuromodulatori, con azione autocrina: vanno ad agire sui recettori presenti sulla stessa terminazione controllando, modulando e limitando il rilascio di neurotrasmettitore) che limitano l'azione del neurotrasmettitore stesso.

Definizione semplice del cervello e sue funzioni

Come possiamo definire in modo semplice il cervello, il SN e le sue funzioni? Il cervello e i suoi componenti sono un'interfaccia (= dispositivo che permette di far comunicare due mondi separati) tra l'organismo e il mondo esterno/interno con uno scopo ben preciso: mantenere l'organismo in vita e mantenere l'omeostasi dell'organismo (equilibri che servono a mantenerlo in vita e ad assicurarne il benessere. Se questi equilibri saltano si hanno le malattie). (Cervello ~ parassita che vive in simbiosi con il nostro corpo). Noi siamo soprattutto il nostro cervello più che il nostro corpo, perché il cervello ha capacità di decisione, interviene nel nostro organismo per sopravvivere lui stesso, facendo allo stesso tempo sopravvivere l'organismo: interviene soprattutto nell'alimentazione e nella riproduzione (meccanismi più complessi perché fondamentali). L'invecchiamento è legato a piccole e continue inefficienze dell'omeostasi che portano infine alla morte del corpo. Il cervello percepisce stimoli attraverso un sistema sensoriale (recettori) che percepisce tutte le forme di E attorno a noi, elabora queste informazioni, le fa sue, le confronta con dei valori di riferimento ed attiva, at