Fisiologia umana

Programma

Fisiologia delle funzioni superiori

• Attività elettrica encefalica; basi fisiologiche dell'EEG, del sonno e della veglia; genesi del sonno ad onde lente; genesi del sonno REM.
• Apprendimento e memoria; plasticità sinaptica; basi neurobiologiche.

Neurofisiologia

• Sinapsi e giunzioni; neurotrasmettitori classici; neuro peptidi e neuro mediatori; modulazione della trasmissione sinaptica; plasticità neuronale.

Fisiologia muscolare

• Meccanica del muscolo scheletrico, metabolismo del muscolo scheletrico e tipi di fibre, regolazione dell'attività motoria.
• Controllo motorio: movimenti riflessi, movimenti posturali, movimenti volontari.
• Muscolo liscio e muscolo cardiaco.

Fisiologia del sistema cardiovascolare

• Attività elettrica del cuore, basi ioniche, gli eventi meccanici del ciclo cardiaco, gittata cardiaca e sua regolazione, nutrizione del muscolo cardiaco.
• Caratteristiche funzionali dei vasi sanguigni. Principi di emodinamica. Il flusso sanguigno ed il controllo della pressione arteriosa.

Il sistema di escrezione

• Filtrazione glomerulare, riassorbimento tubulare, secrezione tubulare, escrezione urinaria e clearance renale.
• Equilibrio dei liquidi ed equilibrio acido-base. Regolazione neuroendocrina del rene e funzione endocrina renale.

Fisiologia delle funzioni superiori

Attività elettrica encefalica

L'elettroencefalogramma è la registrazione dell'attività elettrica del cervello e di altre parti dell'encefalo. L'acquisizione di un elettroencefalogramma avviene durante un esame chiamato elettroencefalografia (EEG), che prevede l'applicazione sulla testa del paziente di una ventina di elettrodi, collegati a uno strumento chiamato elettroencefalografo. L'elettroencefalogramma è una registrazione dell'attività elettrica dell'encefalo, che viene riprodotta graficamente in un tracciato contraddistinto da diversi tratti denominati onde.

L'encefalo può essere suddiviso in tre parti: il cervello, il cervelletto e il tronco encefalico. Queste regioni comunicano con il resto del corpo tramite cellule nervose chiamate neuroni. Per comunicare tra loro e con altri tipi di cellule, i neuroni utilizzano gli ioni presenti al loro interno o sulla loro superficie esterna. Gli ioni, infatti, sono particelle di carica positiva o negativa che, nel momento in cui subiscono una variazione quantitativa, generano una corrente di tipo elettrico (corrente ionica). L'encefalo invia dei segnali elettrici e ne riceve altri. Sia l'invio che la ricezione dei segnali hanno luogo grazie a una variazione delle quantità ioniche presenti all'interno dei neuroni.

Sonno e ritmi biologici

Si può considerare il sonno come un comportamento mentre l'apprendimento serve per memorizzare. Veglia e sonno sono due fasi complementari collegate tra di loro e sono definiti come due gradi di coscienza diversi. Questo grado è molto alto durante la veglia e molto basso durante il sonno. Un individuo cosciente è un individuo in cui possiamo riconoscere attivamente motivazioni e attenzione. Il sistema nervoso determina il comportamento, dato dall'integrazione tra informazioni sensoriali e risposte effettrici. Il grado di relazione tra animale e ambiente dipende dal grado di attenzione e motivazione che a loro volta dipendono dal grado di coscienza.

Il sonno è un comportamento indispensabile, è caratterizzato da un basso grado di coscienza, disattivazione dei sistemi sensoriali, disattivazione dei sistemi motori e alterazioni metaboliche. Esso è un ritmo ultradiano, cioè un ciclo ripetuto attraverso un giorno circadiano di 24 ore, è costituito da fasi (o tipi di sonno) e per questo si parla di ritmo del sonno. La ricerca più attendibile sul sonno si conduce nei laboratori del sonno che consistono in una o più camere da letto adiacenti ad una stanza di osservazione. Si prepara il soggetto sperimentale per le misurazioni elettrofisiologiche:

• Elettroencefalogramma (EEG): serve per controllare l'attività elettrica cerebrale.
• Elettromiogramma (EMG): serve per controllare l'attività muscolare.
• Elettroculogramma (EOG): serve per controllare i movimenti oculari.

A livello della corteccia cerebrale i due tipi di cellule più importanti sono le cellule:

• Piramidali: hanno corpi cellulari grandi di forma piramidale e possiedono lunghi dendriti. I campi generati dalle cellule piramidali sono campi "aperti" e le correnti extracellulari possono essere registrati mediante elettrodi posti sullo scalpo (EEG).
• Non piramidali: sono piccole, di forma stellata e hanno assoni corti che si proiettano su neuroni locali. I campi da esse generati sono campi "chiusi" e non si sommano, quindi le correnti intra ed extracellulari non producono campi elettrici e magnetici.

I potenziali rilevabili tramite EEG sono quelli associati a correnti all'interno dell'encefalo che fluiscono perpendicolarmente rispetto allo scalpo. Una tecnica complementare all'EEG è la magnetoencefalografia (MEG), che permette di misurare le correnti che fluiscono parallelamente allo scalpo.

Il sonno è un comportamento a fasi che si ripetono più volte durante l'intero sonno. La durata del sonno è altamente influenzata dall'età, da stati fisiologici e patologici, quindi le ore di sonno in media sono:

• Massime nella vita neonatale (10-12 ore al giorno);
• Medie nell'età adulta (8-10 ore al giorno);
• Minime negli anziani (4-6 ore al giorno).

Il sonno è diviso in due fasi fondamentali: Sonno NONREM (NREM) e Sonno REM. L'andamento del sonno è di tipo ciclico; durante quello notturno si hanno, generalmente, da 4 a 6 cicli che durano dai 60 ai 90 minuti ciascuno; la fase iniziale è di tipo N-REM, la seguente è di tipo REM; durante la notte si ha una variazione della durata di tali cicli. Il sonno NON REM è la prima fase più lunga (50 minuti), che viene seguita dalla fase REM più breve (20 minuti). Questa coppia NON REM – REM si ripete ciclicamente 4-5 volte durante una notte intera di sonno.

Sonno non REM

Il sonno NON REM è il primo sonno che facciamo dopo la veglia. Il sonno NREM viene solitamente suddiviso in quattro fasi (la fase 1 e la fase 2 sono le fasi del cosiddetto sonno leggero, la 3 e la 4 sono quelle del cosiddetto sonno profondo). Durante la veglia abbiamo uno stato di coscienza elevato in cui l'attività encefalica è desincronizzata, cioè ogni area cerebrale e ogni neurone sono desincronizzati tra loro. Dopo la veglia si ha una fase di rilassamento, la coscienza diminuisce e il cervello comincia ad effettuare la sincronizzazione dell'attività cerebrale. Durante la desincronizzazione della veglia accade che le sinapsi dell'ipotalamo non si mettono d'accordo con le sinapsi della corteccia associativa motoria per scaricare i neurotrasmettitori, quindi la sinapsi funziona in maniera desincronizzata. Se andiamo a vedere com'è fatto un tracciato di elettroencefalogramma in veglia esso compare in maniera molto disordinata, perché l'attività elettrica sale e scende e quindi non c'è sincronia tra esse.

Questa desincronizzazione sparisce con il rilassamento e il passaggio alla fase NON REM, piano piano non sentiamo più rumore, ci assentiamo e l'attività encefalica si sincronizza, cioè le sinapsi cerebrali cominciano a funzionare insieme e l'elettroencefalogramma non appare più disordinato ma compare questa sincronia delle onde elettriche prodotte a livello encefalico. Questo rilassamento ha come segnale esterno l'abbassamento e l'innalzamento delle palpebre che è associato al calo dei movimenti oculari, infatti una delle caratteristiche del sonno NONREM è proprio la mancanza del movimento oculare. Inoltre, l'attività respiratoria e cardiaca si fa regolare. Questa fase di rilassamento per passare dalla veglia al sonno è molto individuale ma mediamente dura circa 10 minuti.

Sonno REM

Nel sonno REM abbiamo nuovamente la perdita di sincronia, è come se il cervello fosse attivo mentre il corpo sta dormendo, compaiono dei rapidi movimenti delle palpebre ma permettono rapidi movimenti oculari, infatti l'acronimo REM sta per Rapid Eyes Movement, quindi movimenti oculari rapidi. Durante questa fase si verifica l'assenza di tono muscolare, entriamo in una sorta di paralisi. In particolare l'atonia si registra nei muscoli del collo, infatti vi è un'inibizione dei motoneuroni. Un'altra caratteristica del sonno REM è l'attività onirica dove le aree cerebrali ricevono molto sangue, aumenta il flusso sanguigno cerebrale e quindi aumenta l'irrorazione sanguigna al cervello perché probabilmente sta facendo qualcosa di importante come per esempio mettere a posto le informazioni mnemoniche, tutte le tracce di memoria; è in questa fase che compaiono i sogni. Di solito siamo in grado di raccontare i sogni fatti durante la fase REM, molto più confuso sono invece i sogni fatti in fase NON REM. Quando ci svegliamo e subito dimentichiamo il sogno fatto succede perché il sogno è stato fatto nella fase non rem e ciò rende impossibile la memorizzazione oppure perché ci svegliamo troppo presto e non si ha avuto tempo per elaborarlo e memorizzarlo.

Esempi di tracciati

Nella prima linea abbiamo l'elettroencefalogramma, nella seconda l'elettrooculogramma e nella terza l'elettromiogramma e quindi possiamo monitorare l'attività encefalica, i muscoli oculari. Inoltre possiamo monitorare la temperatura corporea, il battito cardiaco, tutto quello che è il metabolismo, la glicemia, potremmo con delle micropompe seguire come cambia la composizione del sangue e monitorare la funzione renale. Per quanto riguarda la tonicità muscolare che compare nella veglia e nelle prime fasi del sonno ma scompare del tutto nel sonno REM, infatti, l'elettrocardiogramma è piatto, non c'è tono muscolare. I muscoli oculari invece sono dotati di movimento durante la fase REM e sono assenti nella fase non rem. L'attività dell'elettroencefalogramma è dovuta all'attività di scarica dei neuroni corticali la cui attività sinaptica genera dei campi aperti. Il tracciato dell'elettroencefalogramma in veglia e in sonno cambia con l'età. Sia nei bambini che negli adulti si ha l'alternanza tra sonno non rem e rem ma cambia la percentuale tra i due sonni; nei bambini dura di più il sonno rem ma questa percentuale decresce negli adulti, si stabilizza e poi inizia a decrescere di nuovo negli anziani. Questo è un elettroencefalogramma ottenuto in un laboratorio del sonno. Come vediamo è possibile distinguere tracciati diversi che vanno dalla veglia agli stadi più profondi del sonno (che si dividono in 2-3-4) e infine arrivano al sonno REM. I tracciati sono diversi in onde che variano per frequenza e ampiezza, dove la frequenza è il numero di onde che oscillano al secondo mentre l'ampiezza è dovuta alle oscillazioni dei potenziali di azione.

Le modalità di onde prendono il nome di PATTERN che si distinguono in onde diverse (ovviamente diverse in ampiezza e frequenza):

• Onde beta: sono le onde tipiche della veglia, sono desincronizzate e presentano frequenza elevata e ampiezza bassa, in quanto nelle attività desincronizzata le unità attive sono poche, infatti avremo poche sinapsi che lavorano insieme e quindi avremo la produzione di piccole variazioni di potenziale.
• Onde alfa: quando l'attività nervosa si sincronizza tante sinapsi funzionano insieme quindi si producono tante depolarizzazioni e iperpolarizzazioni, questo è provocato dal passaggio dalla veglia alle varie fasi del sonno e avremo un aumento dell'ampiezza e una diminuzione della frequenza, siamo quindi nello stadio 1 del sonno non rem.
• Onde theta e delta: si entra poi nello stadio 2 che è la prima vera e propria fase di sonno. L'elettroencefalogramma è caratterizzato da onde theta che sono onde a frequenza minore rispetto le alfa e ad ampiezza maggiore. In questo stato compaiono delle onde particolari che sono tipiche di questo sonno, che si chiamano fusi del sonno e complessi K.

I fusi del sonno: sono brevi onde di 12-14 Hz, che si verificano da due a cinque volte al minuto durante gli stadi 1-4 del sonno. Sono delle scariche neuronali ad alta frequenza che si interpongono alle onde lente a bassa frequenza ed alta ampiezza; questi fusi del sonno servano alla sincronizzazione, quindi queste scariche ripetute stanno stimolando la sincronizzazione.

Complessi K: sono oscillazioni drastiche dei potenziali cerebrali, rapide ed improvvise depressioni verso l'alto e il basso in alto e in basso. Insorgono spontaneamente a velocità di circa 1 minuto ma possono essere anche indotte dai rumori. Quando queste forme di onde si presentano il soggetto è addormentato e dopo 10-15 minuti di stadio 2 entra nello stadio 3. Lo stadio 3 è il primo stadio del sonno profondo e vi sono le onde delta. La quantità di onde delta varia aumentando e diventa massima nello stadio 4. Stadio 3 e stadio 4 nel complesso durano 50 minuti, rappresentano lo stato del sonno profondo NON REM che cederà presto il posto ad una nuova variazione dell'attività encefalica che si presenterà esattamente come in veglia con onde soprattutto beta; il soggetto è entrato in sonno REM.

Durante la notte la transizione da uno stadio all'altro si ripete ciclicamente, questi cicli non sono sempre uguali ma tendono a cambiare durante il sonno. La maggior parte del sonno a onde lente si verifica durante la prima metà della notte, mentre i successivi periodi di sonno sono caratterizzati dallo stadio 2. Lo stato di coscienza e le transizioni tra veglia-sonno sono controllate dall'oscillatore talamo corticale che genera oscillazioni lente (teta e delta) e sincrone. Quando l'oscillatore è in funzione compare lo stato di sonno, quando dominano i ritmi rapidi (beta e gamma) compare lo stato di veglia.

Deprivazione del sonno

Nell'uomo e negli animali la deprivazione di sonno è letale, ma la velocità, l'incidenza con cui la deprivazione di sonno è letale dipende dalla taglia corporea: gli animali più piccoli, i mammiferi più piccoli in particolare sono molto più suscettibili in termini di letalità alla deprivazione di sonno. Quindi i roditori, i mammiferi di piccola taglia, muoiono molto prima dei mammiferi di taglia maggiore.

Esperimenti: esistono delle gabbiette di tortura che mantengono gli animali svegli in cui i topi possono mangiare e bere ma non si possono addormentare perché vengono continuamente stimolati, quindi non cadono nel sonno. La deprivazione di sonno in questi animali di piccola taglia produce abbastanza velocemente un decadimento metabolico. Il primo segno che l'animale non sta bene è la perdita di peso, perdita del pelo, si producono alterazioni del comportamento, alterazioni della pressione sanguigna, del battito cardiaco fino a che l'animale muore.

Rechtschaffen: ha inventando questa gabbietta che è capace di mantenere, di monitorare due animali che si trovano esattamente alle stesse condizioni ambientali, quindi mangiano in egual misura, bevono alla stessa maniera e si trovano nello stesso ambiente con la differenza che in una porzione della gabbia un ratto può dormire, l'altro no e l'unico parametro che li differenzia è il sonno. Con questo esperimento si monitora l'attività e tutto ciò che riguarda l'animale per tutto il tempo che si decide di osservarli. Grazie a questi esperimenti sono state ottenute moltissime informazioni sulla deprivazione di sonno e soprattutto sulla letalità del sonno.

Questo animale deprivato comincia ad avere un aspetto malato, si indebolisce, perde la coordinazione motoria, la termoregolazione, diventa ipermetabolico e quindi va a perdere peso il che dipende tutto dall'alterazione del sistema immunitario. Gli esperimenti vengono fatti anche sugli studenti universitari delle facoltà di medicina. Essi si sottopongono a questi esperimenti, si prestano come cavie per i laboratori del sonno. Con gli studenti sotto esame aumenta la fase REM, dorme più a lungo in fase REM, che è la fase in cui si ritengono le informazioni studiate. Lo studente indossa il caschetto dell'elettroencefalogramma e l'operatore decide, in quale fase risvegliarlo infatti si deprivano i soggetti in una notte di una fase e poi si osserva la notte successiva. La notte successiva il sonno sarà diverso. Il comportamento che si osserva si chiama REBOUND, una specie di rimbalzo, più si depriva di fase REM più l'organismo tende a recuperare questa fase anche se è stato visto che le fasi che si recuperano meglio sono le fasi del sonno NON REM. Questi esperimenti servono a capire perché dormiamo. La deprivazione del sonno REM produce questo REBOUND, rimbalzo, che richiede il recupero del sonno sottratto, e l'ipotesi è che ci sia bisogno di una certa quantità di sonno REM che favorisce l'apprendimento.