Fondamenti anatomo-fisiologici dell'attività psichica

Struttura del neurone e delle cellule gliali

I neuroni e le cellule gliali

I neuroni e le cellule gliali sono i costituenti fondamentali del sistema nervoso. Esistono 100 miliardi di neuroni, che sono la struttura di base che permette la comunicazione tra il corpo e il cervello, e viceversa. Sono detti eccitabili perché sono in grado di generare elettricità e condurla, condizioni di base affinché le cellule del cervello comunichino sviluppando facoltà più complesse come il movimento, la percezione e la sensazione. I neuroni sono quindi responsabili delle più importanti funzioni "uniche del cervello", compiendo la maggior parte dell'analisi dell'informazione all'interno del cervello.

Le cellule gliali sono circa 1000 miliardi, non hanno caratteristiche elettriche e hanno un'attività di sostegno e funzione nutritiva per il sistema nervoso. La scoperta del loro funzionamento risale alla fine del 18^o secolo grazie all'uso del microscopio elettronico, che consente di ingrandire e individuare i neuroni e le cellule gliali.

Metodi di studio dei neuroni

Per studiare i neuroni, è necessario suddividere il cervello in fette o sezionarlo in sezioni del diametro dei neuroni dopo averlo messo nella formaldeide, che ha la proprietà di fissare i tessuti e quindi indurirli per tagliarli attraverso un dispositivo chiamato microtomo e individuare le parti analizzabili.

Per vedere i neuroni, non basta solo sezionare il cervello, bisogna ricorrere a metodi di colorazione:

• Colorante di Nissl (violetto): è in grado di distinguere i neuroni dalle cellule gliali e permette di studiare la disposizione o citoarchitettura dei neuroni in diverse parti del cervello. Ma era solamente in grado di individuare i neuroni e il nucleo senza però individuarne le varie parti costituenti.
• Golgi usò una soluzione di cromato d'argento per scoprire che il neurone è costituito da almeno due parti: una regione centrale che contiene il nucleo, detta soma/corpo cellulare/pericario, e filamenti, tubicini sottili chiamati nel complesso neuriti responsabili della comunicazione neurale che si dividono in assoni (che conducono l'impulso nervoso) e dendriti (con funzione recettiva del messaggio mandato dagli assoni).

Teorie e scoperte sui neuroni

Golgi, studiando i filamenti, ha proposto una teoria sull'organizzazione dei neuroni, la teoria reticolare: tutti i neuroni sono connessi uno all'altro grazie ai filamenti e comunicano per continuità, parla di sincizio ossia di fusione di neuroni che vanno a costituire un'unica rete/reticolo continuo. Ma in realtà i neuroni non comunicano per continuità ma per contatto, come individuato da Ramon Cajal, che intuì che tra i diversi neuroni esiste un piccolissimo spazio invisibile dove avviene la sinapsi (teoria del neurone, ancora a fondamento della moderna neurofisiologia).

La teoria del neurone

La teoria del neurone si basa su quattro presupposti:

• Il neurone è un'unità anatomica, ossia due neuroni apparentemente adiacenti sono fisicamente separati.
• Il neurone è un'unità funzionale e gode di vita propria, influenzato solo dai neuroni con cui avviene il contatto.
• Il neurone è un'unità genetica perché origina da un comune progenitore che è il neuroblasto. I vari neuroni prendono contatto in base alla loro affinità chimica.
• Il neurone è un'unità trofica, ossia il taglio dell'assone determina la degenerazione del neurone a valle (degenerazione anterograda) sia a monte (degenerazione retrograda) ma non oltre la sinapsi.

Anatomia del neurone

Il neurone è composto da un corpo chiamato soma, all'interno del quale si trova il nucleo separato da una membrana, un assone che conduce i segnali elettrici essendo il filamento più robusto e lungo, e i dendriti che ricevono i segnali. Tutto il neurone è separato dall'esterno e dai fluidi esterni attraverso la membrana neuronale.

Il soma

Il soma è la parte centrale del neurone, il corpo di forma approssimativamente sferica. Ha una membrana che separa l'interno dall'esterno. All'interno vi sono vari organuli immersi nel citosol (fluido acquoso/soluzione salina ricco di potassio). Gli organuli più importanti sono:

• Reticolo endoplasmatico liscio e rugoso
• Mitocondrio
• Apparato di Golgi
• Nucleo

Il nucleo

Il nucleo è separato da una membrana, da un doppio involucro chiamato membrana nucleare perforata da pori. Contiene il DNA, che contiene porzioni di gene che servono per codificare le proteine. Il processo di espressione genica consente la codifica e la lettura delle proteine, le quali vengono sintetizzate al di fuori del nucleo grazie all'aiuto di un mediatore: l'mRNA che rappresenta l'informazione nel gene. Il processo di trascrizione, ossia di assemblaggio di un segmento di mRNA, è guidato da un enzima, l'RNA polimerasi, attaccandosi alla porzione iniziale del gene, detto promotore, e trascrive sino al codone di stop. Le copie di mRNA emergono dal nucleo attraverso i pori della membrana e si dirigono verso i siti in cui avviene la sintesi proteica. Il DNA contiene delle parti non codificanti chiamate introni, che vengono eliminati attraverso il processo di splicing. L'assemblaggio di proteine a partire dagli aminoacidi sotto la direzione dell'mRNA viene chiamato traduzione.

Reticolo endoplasmatico rugoso (RER)

La sintesi proteica avviene nei ribosomi del RER contenuti nelle invaginazioni della membrana del reticolo. L'mRNA trascritto si lega ai ribosomi e questi traducono le istruzioni in esso contenute per produrre proteine. Le proteine sintetizzate nei ribosomi sono destinate ad essere inserite all'interno della membrana cellulare o in un organulo. Ci sono però dei ribosomi che galleggiano liberi nel citosol che in realtà sono uniti tra loro da un filamento andando a creare poliribosomi, che non sono altro che catene di mRNA con ribosomi attaccati per la creazione di molteplici copie di proteine destinate a rimanere nel citosol.

Reticolo endoplasmatico liscio (REL)

Il REL è caratterizzato dall'assenza di ribosomi. Il suo ruolo è quello di catturare le proteine dei ribosomi dandole una struttura tridimensionale e controllare la concentrazione di calcio, è ricco di cellule che producono ormoni steroidei, responsabili della detossificazione da farmaci, metabolismo dei carboidrati e biogenesi delle membrane cellulari.

Apparato di Golgi

L'apparato di Golgi è il gruppo di dischi di membrana invaginata. Ha la funzione di rielaborare le proteine (sito di elaborazione chimica dopo la traduzione proteica) per costruire neurotrasmettitori, partecipando anche alla distribuzione delle varie sostanze nelle parti del neurone (seleziona anche le proteine da liberare nel neurone).

Mitocondrio

Il mitocondrio è la sede della respirazione cellulare. All'interno delle sue creste, nella matrice mitocondriale, avviene il ciclo di Krebs con la produzione di ATP, che è la fonte energetica della cellula che sostiene molte delle reazioni biochimiche neuronali.

Citoscheletro

Il citoscheletro è costituito da tre tipi di filamenti:

• Microtubuli: percorrono longitudinalmente l'assone, formati da cavi composti da polimeri di tubulina avvolti su se stessi grazie alla proteina MAP (proteina tau) che ancora i microtubuli uno all'altro e ad altre parti del neurone. Sono i filamenti più grossi e sono responsabili del trasporto assonale. (Modificazioni patologiche della proteina tau sono implicati nella demenza della malattia di Alzheimer)
• Microfilamenti: sono i più piccoli e sono formati da polimeri di actina che si avvolgono su sé stessi permettendo alle proteine di spostarsi dal soma al terminale assonico, tagliando a metà il corpo del neurite, l'actina dona dinamicità al neurone rendendolo elastico. Essi sono ancorati alla membrana tramite collegamenti costituiti da una rete di proteine fibrose. Si possono trovare in ogni parte del neurone e sono distribuiti longitudinalmente verso il centro dei neuriti.
• Neurofilamenti: sono le ossa del neurone che si distribuiscono in svariati modi, parte fissa e solida del neurone costituiti da triplette di sequenze di lunghe strutture proteiche, sequenze che rendono i neurofilamenti molto solidi dal punto di vista meccanico.

Il citoscheletro ha la funzione di dare forma e resistenza meccanica alla cellula, accordandosi con la membrana plasmatica, mantiene nella giusta posizione gli organuli citoplasmatici. Alcuni elementi del citoscheletro fungono da vie per il trasporto di molecole e organuli e in alcuni processi una degenerazione del citoscheletro può causare la morte cellulare. Il citoscheletro conferisce la sua caratteristica forma al neurone, non è statico perché i suoi elementi sono regolati dinamicamente e in continuo movimento.

L'assone

L'assone è un neurite che può arrivare a diversi metri, e hanno tutti forma simile. È una struttura tipica dei neuroni ed è altamente specializzata per il trasporto dell'informazione a distanza. Partono dal soma allungandosi dal cono di integrazione del soma. La parte finale ha un rigonfiamento detto terminale presinaptico perché contiene degli organuli importanti per l'attività elettrica, per la trasmissione delle informazioni contattando un altro neurone nei dendriti postsinaptici, andando a formare una sinapsi nello spazio sinaptico che separa i neuroni.

Nel terminale assonico o bottone terminale non ci sono ribosomi, è ricco di mitocondri in quanto necessita di molta energia, contiene delle vescicole sinaptiche concentrate nel punto in cui avviene il contatto con il dendrite, avviando la trasmissione del segnale liberando i neurotrasmettitori catturati dal dendrite che attiverà le attività elettriche. A livello del terminale assonico può succedere che questo si ramifichi in diversi terminali assonici, chiamati assoni collaterali, così da poter contattare diversi dendriti.

Nei bottoni sinaptici, rigonfiamenti assonici, avviene la sinapsi: comunicazione detta innervazione. Il citoplasma dell'assone contiene delle vescicole contenenti neurotrasmettitori, la superficie della membrana interna è ricca di proteine e contiene molti mitocondri.

Il trasporto delle proteine racchiuse in vescicole viene chiamato trasporto assoplasmatico e avviene lungo i microtubuli:

• Trasporto anterogrado: dal soma al terminale assonico grazie a vescicole trasportate da proteine chinesina. Il trasporto anterogrado può essere lento o veloce ma con un dispendio di ATP. Il trasporto lento viene utilizzato per trasportare macromolecole e enzimi.
• Trasporto retrogrado: dal terminale al soma grazie a proteine dineina. Questo trasporto può essere usato dai ricercatori per tracciare le connessioni tra neuroni, da virus per infettare neuroni e per penetrare la barriera emato-encefalica. Il trasporto rapido viene usato per il trasporto di piccole molecole.

L'interruzione del trasporto porta alla degenerazione degli assoni in quanto questi non possono sopravvivere quando vengono separati dal corpo cellulare da cui originano, fenomeno chiamato degenerazione walleriana.

I dendriti

I dendriti hanno recettori di membrana che avviano il segnale elettrico, un citoplasma simile a quello assonico ma ricco di poliribosomi che producono speciali proteine di membrana che fungono da messaggeri secondari. Alcuni dendriti sono ricoperti da spine/protuberanze dendritiche che servono ad aumentare i siti di contatto con gli assoni e come compartimenti elettrici per isolare il segnale. Una degenerazione delle spine dendritiche è associata a disturbi del neuro sviluppo. I dendriti di un singolo neurone sono chiamati collettivamente albero dendritico; ciascun ramo dell'albero è chiamato ramo dendritico.

Classificazione dei neuroni

La classificazione dei neuroni avviene secondo:

• Numero dei neuriti: una classificazione che avviene in base al numero di neuriti che si estendono dal soma:
  • Unipolare: 1 neurite che si apre in due rami in cui uno funzionerà da dendrite e uno da assone, tipico degli invertebrati per mediare risposte immediate e nei vertebrati costituiscono i gangli del SNA.
  • Bipolari: 2 neuriti da un solo corpo centrale.
  • Multipolari: più di 2 neuriti, tipici della corteccia cerebrale con un sistema di elaborazione delle informazioni particolarmente sofisticato. I neuroni multipolari sono i più diffusi nei vertebrati; hanno un assone e più dendriti. La complessità dendritica è indice della funzione svolta dal neurone (es. cellule del cervelletto, dell'ippocampo o del motoneurone spinale).
  • Pseudo-unipolari: tipiche del sistema somatico a livello del midollo spinale, così denominate perché dal corpo cellulare parte un neurite diretto al SNC e uno in periferia.
• Struttura dell'albero dendritico:
  • Cellula stellata: in cui i dendriti si diramano dal soma assumendo una forma complessiva simile a quella di una stella.
  • Cellula piramidale: formata da soma, assone e un neurite più grande al cui apice ci sono diramazioni. La classificazione è spesso unica per una particolare zona del cervello, riferendosi alla corteccia cerebrale.
• Lunghezza dell'assone:
  • Neurone di tipo uno di Golgi/di proiezione: particolarmente lunghi, che mettono in contatto parti distanti del cervello oppure il cervello con il midollo spinale (solitamente cellule piramidali).
  • Neurone di tipo due di Golgi: hanno degli assoni molto piccoli che formano circuiti locali mettendo in contatto neuroni vicini nella corteccia (solitamente cellule stellate).
• Presenza/assenza delle spine
• Connessioni:
  • Neuroni sensitivi primari: l'informazione viene inviata verso il sistema nervoso da neuroni che hanno neuriti sulla superficie sensoriale del corpo umano.
  • Motoneuroni: neuroni con assoni che contraggono sinapsi con i muscoli e comandano i movimenti.
  • Interneuroni: neuroni che fanno sinapsi solo con altri neuroni.

Le cellule gliali

Le cellule gliali sono molto più numerose dei neuroni, supportano la loro attività, non sono eccitabili e possono rimuovere sostanze nocive per il neurone. Si possono distinguere in:

• Astrociti: sono cellule che creano la barriera emato-encefalica, un sistema di protezione del sistema nervoso che fa sì che vengano controllate le sostanze che arrivano dai vasi sanguigni al cervello, bloccando quelle nocive. Si formano sui capillari del sistema circolatorio cerebrale chiudendo i fori per non lasciar passare le sostanze, riempiono cioè lo spazio tra i neuroni. Controllano le concentrazioni del potassio per non intasare l'attività neuronica. Rimuovono anche i neurotrasmettitori per evitare l'adattamento dei neuroni che implicherebbe una risposta non adeguata. Recentemente si è scoperto che le membrane degli astrociti possiedono anche recettori di neurotrasmettitori che possono provocare eventi elettrici e biochimici all'interno della glia.
• Oligodendroglia mielina e cellule di Schwann mielina: costituiscono la guaina mielinica che protegge e isola gli assoni permettendo una più veloce connessione. Le cellule di Schwann si trovano nel SNP, che comprende i nervi, contatta e ricopre un solo assone mentre gli oligodendroglia si trovano nel SNC, che comprende il cervello e il midollo, contatta e ricopre più assoni mielinizzando molteplici assoni. Si chiama guaina perché è arrotolata sugli assoni per evitare la dispersione della corrente, permettendo connessioni e trasmissioni più veloci. Ci sono punti ad intervalli regolari in cui la guaina è mancante, chiamati nodi di Ranvier, dove si genera il potenziale d'azione.
• Ependimali: tappezzano i ventricoli e regolano la direzione della migrazione cellulare durante lo sviluppo cellulare.
• Microglia: rimuovono le sostanze tossiche e i neuroni morti, si attivano quando vi sono infezioni cerebrali per individuare e rimuovere eventuali sostanze tossiche, funzionando da fagociti.

La membrana del neurone a riposo

Il neurone è una cellula eccitabile perché ha una membrana particolare che divide le cariche elettriche e assume un potenziale elettrico necessario per generare la scarica elettrica, l'impulso elettrico e il segnale nervoso che parte da una situazione di base. Bisogna partire da una condizione iniziale di riposo, si parla così di potenziale di membrana a riposo: in un neurone a riposo, il citosol adiacente alla superficie interna della membrana presenta una carica elettrica negativa rispetto a quella esistente all'esterno.

Si definisce potenziale di riposo la tensione elettrica, misurabile in una cellula, tra il versante citoplasmatico, che presenta cariche negative, e quello extracellulare, che presenta cariche positive. Quando vi è un impulso nervoso, la situazione si ribalta dando origine al potenziale d'azione: il potenziale d'azione (PdA) non è altro che l'inversione della situazione di riposo per un brevissimo tempo, sufficiente a far sì che il versante interno della membrana diventi elettricamente positivo rispetto al lato esterno.

Per potenziale si intende la differenza tra cariche interne ed esterne, tensione elettrica tra cariche positive esterne e negative interne. Il potenziale di membrana (Vm) è determinato dalla differenza di potenziale elettrico tra interno ed esterno della cellula, cioè dalla differenza tra interno ed esterno nel numero di cariche positive e negative portate dagli ioni. Si misura in millivolt ed è dato dalla diseguale distribuzione delle cariche elettriche. La membrana del neurone è la porzione eccitabile del neurone e i segnali trasmessi dal sistema nervoso sono costi...