Fondamenti anatomo-fisiologici dell'attività psichica - storia delle neuroscienze ed elettrofisiologia

Gall dedusse la specializzazione celebrale dalle impronte rilasciate sulla teca cranica e

sul comportamento/personalità di un defunto.

La frenologia si dimostrò però un metodo fallace. Tuttavia ebbe buone intuizioni: ogni

parte del cervello è effettivamente correlata a particolari funzionalità.

Esempi di funzioni celebrali tra loro dissociabili

- Memoria a breve e a lungo termine

- Linguaggio

- Calcolo matematico

- Attenzione

- Orientamento spaziale

Nuovi metodi di analisi

- Metodi osservazionali in assenza di lesioni: osservazione sistematica del

cervello al microscopio.

- Metodi di registrazione dell’attività chimica e/o elettrica: misura del flusso

celebrale a riposo e/o in azione; registrazione dell’attività elettrica in superficie.

- Metodi interventistici: divisi in accidenti e danni provocati. I primi consistono in

eventi fisici che lesionano involontariamente, i danni provocati sono quelli

provocati dal chirurgo (volontari o involontari): caso del paziente HM.

- Metodi farmacologici: utilizzo di farmaci e studio delle conseguenze di lesioni su

parti non danneggiate.

Brodmann

Importante neuroscienziato che mappò quasi la totale superficie del cervello

studiandone dei campioni. Egli studiò la citoarchitettura (corteccia) al fine di

trovare informazioni sul comportamento di specifiche aree in caso di lesioni.

Brodmann trovò quarantasette aree. Per esempio, egli comprese che la isocorteccia

(regione sensitiva granulare) eterotipica (responsabile del movimento, agranulare)

ha rapporti univoci sulla funzione, mentre altre regioni sono associative.

Comprese le analogie tra il cervello dei primati e dell’uomo, iniziarono i primi

esperimenti sulle scimmie al fine di trovare correlazioni con il cervello umano.

NEUROFISIOLOGIA MODERNA

Tra i principali neurofisiologi moderni possiamo trovare nomi come: Sherrington,

Ferrier, Penfield, Hodgkin e Huxley, Hubel e Wiser, Eccles, Loewi, Freud, James,

Hoster, Frith, Weinskrantz, Miller, Warrington e Rainolt.

Sherrington: studiò il rapporto di interrelazione tra midollo e muscolo.

Ferrier: localizzò le principali aree nei cani tramite stimoli elettrici.

Successivamente fece esperimenti anche su umani.

Penfiel: utilizzò gli elettrodi per mappare la corteccia S1, in particolare su paziente

epilettici.

Hodgkin e Huxley: vinsero il premio Nobel nel 1963 per gli studi sull’elettrofisiologia

degli impulsi nervosi.

Hubel e Wiser: registrarono l’elettricità delle cellule in base agli stimoli.

Sherrington, Eccles e Loewi: studiarono le sinapsi e i neurotrasmettitori,

comprendendo le regioni di contatto tra neurone e muscolo.

Freud: rinomato padre della psicoanalisi, fu un neurologo e neuroscienziato che

sviluppò una delle prime teorie all’avanguardia sull’afasia.

James: coniugò le emozioni alla realtà vegetativa. Studiò le manifestazioni delle

reazioni in base alle emozioni.

Frith: studiò le neuroscienze della psicologia sociale.

Weinskrantz: studiò le capacità visive residue in paziente quasi ciechi.

Miller: descisse il paziente HM.

Reinolt: studiò il flusso celebrale e sviluppò la tecnica di inibizione non invasiva

delle lesioni (PSM).

Metodi investigativi correntemente usati nelle neuroscienze

- Metodi sperimentali applicati ai neuroni individuali e al sistema nervoso

neuronale. Gli esperimenti furono attuati su animali al fine di studiare le lesioni

neurofisiologiche e neurofarmacologiche.

- Metodi sperimentali applicati a umani: correlazioni anatomo-clinici,

stimolazioni/inibizioni elettrico-magnetiche, investigazioni neurofarmacologiche.

ELETTROFISIOLOGIA

I neuroni possono comunicare tra loro attraverso doppi legami bioelettrici. I neuroni

sono cellule eccitabili ( dotati di simmetria elettrica a cavallo della membrana) e a

cavallo della loro membrana esiste un componente che può essere stimolato e

propagato.

Potenziale di riposo

Costituenti chimici:

- Citosol e ioni citoplasmatici.

- Membrana cellulare con doppio strato fosfolipidico (non totalmente

impermeabile).

- Proteine, in particolare canali ionici.

I canali ionici

I canali ionici sono catene aminoacidiche le cui teste esterne sono polari e quelle

interne sono apolari. I canali ionici non costituiscono delle “gallerie” tutte uguali, sono

infatti proteine selettive che consentono il passaggio solo a determinati atomi sulla

base della loro struttura (cariche elettriche positive o negative). Non tutti i canali ionici

presentano la stessa facilità di trasporto, alcuni sono più o meno resistenti di altri.

I canali ionici permettono la semi permeabilità della membrana e la loro apertura è

determinata dal terminale assonico.

Vi sono diverse modalità di apertura (e chiusura) dei canali ionici:

- Per stiramento

- Attraverso neurotrasmettitori (dopamina, acetilcolina, acido glutammico)

- Per fosforilazione (legato a del fosforo); in questo caso l’enzima è chiamato

chinasi.

- Tramite meccanismi misti: neurotrasmettitori uniti a depolarizzazione della

membrana.

La batteria di base dei neuroni è costituita prevalentemente da ioni K+, ossia da ioni

potassio.

Tutti i liquidi extracellulari devono avere poco potassio altrimenti si potrebbero avere

problemi di concentrazione muscolare o aritmie cardiache.

Gli ioni si misurano in Millimoli.

Gli ioni che possono affluire a cavallo della membrana sono:

- Sodio (Na+)

- Potassio (K+)

- Calcio (Ca)

- Cloro (Cl)

La membrana è detta semipermeabile poiché permette il passaggio solo a determinati

ioni e solo in particolari condizioni attraverso determinati canali ionici.

Depolarizzazione: cambiamento del potenziale di membrana che diventa meno

negativo o in alcuni casi positivo.

Diffusione ionica per gradiente di concentrazione

- Differenza del gradiente di concentrazione tra dentro e fuori la membrana.

- Differenza di potenziale elettrico per equilibrare.

Il gradiente di concentrazione non solo spinge gli ioni da una concentrazione maggiore

a una concentrazione minore, ma arresta anche la permeabilità della membrana in

determinati momenti.

Il potenziale elettrico, invece, garantisce la semi permeabilità della membrana.

Il potenziale di equilibrio di una membrana non è uguale al potenziale di equilibrio di

una classe di ioni, che può essere misurata attraverso l’equazione di Nerst.

L’equazione di Goldman permette di trovare un determinato potenziale elettrico di una

membrana.

Eccezione: Il potenziale elettrochimico del cloro è uguale al potenziale di equilibrio

membrana però è dominato dai flussi del potassio

Perché sia possibile avere un potenziale di riposo sono necessarie tre condizioni:

- Equilibrio tra ioni

- Permeabilità tra membrana esterna ed interna

- Conduttività degli ioni

Il potenziale di riposo consiste in una simmetria di cariche elettriche a cavallo della

membrana.

L’ATP: nucleotide trifosfato a legame covalente che libera calore e promuove

l’attivazione degli enzimi.

L’atipiasi o la pompa sodio-potassio è un enzima che contribuisce allo spostamento del

contro gradiente di concentrazione. In altre parole, sposta il potassio dall’esterno

all’interno e con la consumazione di ATP sposta il sodio dall’interno all’esterno. I canali

ionici del potenziale di azione sono detti canali ionici passivi, in quanto sono sempre

aperti perché legati alle cariche elettriche e al gradiente di concentrazione della

membrana. Questi canali sono molto sensibili al passaggio del potassio.

Il potenziale elettrochimico del cloro è uguale al potenziale di equilibrio membrana

però è dominato dai flussi del potassio. Per questo motivo, se il potenziale è a riposo, a

cavallo della membrana non vi è flusso di cloro. Per passare, il potenziale di equilibrio

del cloro deve avere un valore meno negativo.

Potenziale di azione

I segnali viaggiano velocemente lungo gli assoni.

Bernstein sviluppò una teoria il cui superamento portò alla comprensione del

fenomeno del potenziale di azione.

La teoria di Bernstein prevedeva che la membrana cambiasse carica elettrica e che

perdesse momentaneamente la sua selettività. In questo modo, avrebbe perso la

permeabilità agli ioni K+ e sarebbe diventata permeabile a tutti gli altri ioni.

Questa teoria non fu, però, confermata empiricamente (non aveva i mezzi per farlo).

A testare la teoria di Bernstein fu Young, mediante esperimenti sugli assoni di un

calamaro gigante. Young fu tra i primi ad utilizzare il voltage-clamp, un metodo per

capire la quantità di energia necessaria per generare un potenziale di azione.

Una nuova teoria fu introdotta da Hudgkin e Huxley, i quali ipotizzarono che la

membrana, durante il potenziale di azione, cambiasse valore da -65 a zero. Attraverso

gli esperimenti (voltage clamp) arrivarono però a comprendere che il potenziale di

equilibrio non solo arriva a zero, ma diventava addirittura positivo ( disturbing

observation).

Il potenziale di azione è una mutazione del potenziale di membrana, innescata da un

certo valore soglia che diventa positivo per tornare ad essere ancora più negativo.

Durante un potenziale di azione si raggiungono i 100 Millivolt. Il neurone risponde, si

dilata in ampiezza, ma non raggiunge valori elevati in termini di millivolt.

Dopo un potenziale di azione, la membrana non è in grado di eccitarsi di nuovo

immediatamente.

Gli ioni non si muovono tutti contemporaneamente. Il primo a muoversi è il sodio, che

però non si sposta completamente. Una volta entrato il sodio, questo è subito seguito

dal potassio.

Dimostrazioni:

Hudgkin e Huxley misurarono il flusso netto di ioni attraverso l’uso di inattivatori

specifici (un inattivatore del sodio e uno del potassio).

Tramite gli esperimenti, capirono che quando si raggiunge il valore soglia (il punto in

cui la membrana diventa positiva) si attua il potenziale di azione.

Per raggiungere il valore soglia sono necessarie due condizioni:

- Meccanismi di apertura dei canali ionici funzionino correttamente

- Entrata in azione dei canali ionici voltaggio-dipendenti

Quando il neurone si avvicina al valore soglia, si verifica la polarizzazione della

membrana (la permeabilità del sodio raggiunge il picco e si chiude = refrattarietà

assoluta) e successivamente si ha la depolarizzazione della membrana (il flusso di

potassio si blocca = refrattarietà relativa, iperpolarizzazione).

I canali ionici voltaggio-dipendenti si aprono in base al voltaggio, ossia al

cambiamento della polarità elettrica a cavallo della membrana.

Il potenziale di azione è un fenomeno in grado di propagarsi e d