Fondamenti anatomo-fisiologici dell'attività psichica

Parte I - Neurobiologia

Neuroni e cellule gliali

I neuroni e le cellule gliali sono componenti del sistema nervoso. I neuroni sono circa 100 miliardi, sono la parte microscopica del sistema nervoso e sono responsabili dell’attività elettrica del sistema nervoso (sn). Sono dette cellule eccitabili perché conducono segnali elettrici che permettono la comunicazione tra le cellule del sistema nervoso. La loro struttura è semplice, molto simile a quella delle altre cellule. Da solo però il neurone non fa nulla: è il contatto con gli altri neuroni che determina attività cerebrale.

Le cellule gliali sono più numerose, si trovano intorno al neurone e hanno funzione di supporto all’attività dei neuroni, di nutrizione e di detossicazione. Sono divise in: astrociti, oligodendrociti e microglia.

Come si studia un neurone?

Il cervello è un tessuto molle, che deve essere sezionato per poter essere messo a microscopio. C’è una sostanza, la formaldeide, che fa indurire il cervello permettendo così il suo sezionamento. Alla fine del XVIII secolo vennero scoperti dei coloranti per colorare il tessuto cerebrale che permisero così di vedere le componenti del cervello. Tra i coloranti vediamo il Nissl, che consente di distinguere neuroni e glia e che fornisce indicazioni sulla citoarchitettura, e il cromato d’argento, che permette di vedere anche i filamenti del neurone.

Istologia = studio della struttura delle cellule.

Golgi - Teoria reticolare

Golgi, studiando i neuroni, propose la cosiddetta teoria reticolare, secondo la quale tutti i neuroni sono connessi tra di loro tramite gli assoni come in una rete; ogni neurone prosegue quindi nel neurone successivo comunicando per continuità. Questa teoria si rivelò sbagliata. La teoria corretta è quella che venne proposta da Ramon y Cajal (teoria del neurone), che vede i neuroni come unità singole che comunicano per contatto e non per continuità. I neuroni sono separati infatti da uno spazio piccolissimo tramite il quale vengono condotti segnali elettrici.

Questa teoria si basa su quattro postulati:

• Il neurone è un’unità anatomica: due neuroni apparentemente adiacenti sono fisicamente separati.
• Il neurone è un’unità funzionale: il singolo neurone è influenzato solo dai neuroni con cui viene in contatto (il contatto viene definito sinapsi).
• Il neurone è un’unità genetica: tutti i neuroni originano da un’unica cellula progenitrice, il neuroblasto.
• Il neurone è un’unità trofica: se viene tagliato l’assone, il neurone degenera sia a valle (degenerazione anterograda) che a monte (degenerazione retrograda). Questo processo degenerativo non va oltre la sinapsi.

Anatomia del neurone

Corpo cellulare o soma: parte centrale del neurone. All’interno del soma vi è una soluzione salina ricca di potassio (citosol). Vi sono anche diversi organelli come l’apparato di Golgi, il reticolo endoplasmatico liscio e rugoso, i mitocondri. Tutto (ad eccezione del nucleo) è chiamato citoplasma.

Nucleo: è circondato da membrana nucleare provvista di fori di diametro di 5-10 micrometri. Contiene cromosomi, che a loro volta contengono DNA (ciascun cromosoma contiene una doppia elica di DNA). Il DNA del neurone è uguale a quello contenuto nelle altre cellule del corpo; ciò che cambia è la porzione di DNA (gene) utilizzata per produrre le proteine.

Produzione di proteine (sintesi proteica) avviene nel citoplasma, fuori dal nucleo. Il DNA non esce però mai dal nucleo, quindi viene creato un messaggero, l’mRNA (tramite il processo di trascrizione), che contiene una copia del gene importante per la creazione della proteina. L’mRNA esce dal nucleo tramite i fori presenti sulla membrana nucleare e crea la proteina (processo di traduzione). La proteina viene creata tramite l’assemblaggio dei vari aminoacidi.

La sintesi proteica avviene nei ribosomi, i quali si trovano sul RER (sistema continuo di vescicole, sacchetti appiattiti e tubuli, formato da una membrana che si estende per tutta la cellula. Il RER ha anche un ruolo nella sintesi dei lipidi che servono per la formazione delle membrane cellulari e plasmatica) e hanno il compito di unire tra di loro gli amminoacidi. L’mRNA entra nel ribosoma per permettere l’assemblaggio degli aminoacidi. Le proteine sintetizzate nel RER sono destinate ad essere inserite nella membrana cellulare o in un organulo. Le proteine sintetizzate dai ribosomi liberi (infatti non tutti i ribosomi contenuti nella cellula sono legati al RER) sono invece destinate a rimanere ed essere diffuse nel citoplasma.

C’è poi anche il REL (reticolo endoplasmatico liscio) che:

• È costituito da membrane o organuli membranosi senza ribosomi associati e non costituisce proteine
• È ampiamente distribuito nella cellula nervosa e spesso si trova accanto al RER
• Svolge due funzioni: 1) costituzione della struttura tridimensionale delle proteine 2) mantenimento delle concentrazioni di calcio nel citosol
• È ricco di cellule che producono ormoni steroidei, responsabili della detossicazione da farmaci, metabolismo dei carboidrati, e biogenesi delle membrane cellulari.

Più lontano dal nucleo, verso la parete cellulare, vi è l’apparato di Golgi, che seleziona le proteine create dai ribosomi e le rielabora. Seleziona anche quali proteine devono essere liberate dal neurone.

Un'altra struttura che fa parte del citoplasma è il mitocondrio, l’organulo sede della respirazione cellulare. All’interno vi sono le creste mitocondriali. Il mitocondrio prende l’acido piruvico che permette l’inizio di una serie di reazioni chimiche che danno origine all’ATP (adenosintrifosfato), ovvero l’energia del neurone: tutte le attività che richiedono energia sono dovute al consumo di ATP.

Abbiamo poi il citoscheletro, formato da tre tipi di filamenti con funzioni diverse:

• Microtubuli: tubi cavi all’interno a loro volta costituiti da tubicini arrotolati a loro volta costituiti da tubulina. Le molecole di tubulina sono tenute insieme dalla proteina tau. Danno forma alla cellula.
• Microfilamenti: sono i più piccoli, sono delle specie di cavi costituiti da due fili costituiti da polimeri di actina, che ha una funzione contrattile.
• Neurofilamenti: sono i più solidi e costituiscono il sistema di sostegno dei neuroni. Sono filamenti intermedi presenti in tutte le cellule. Sono sub-unità costituite da triplette di sequenze di lunghe strutture proteiche, disposte come cavetti attorcigliati in un filo elettrico.

Funzioni del citoscheletro:

• Dà forma e resistenza meccanica alla cellula raccordandosi con la membrana plasmatica
• Mantiene nella giusta posizione gli organuli citoplasmatici
• Alcuni suoi elementi fungono da vie per il trasporto di molecole e organuli
• In alcuni processi degenerativi, come ad esempio nella demenza di Alzheimer, gli elementi del citoscheletro proliferano fino a far morire la cellula e poi rimangono a lungo dopo la morte cellulare (la cosiddetta placca di neurofibrilla).

Assone

Presente solo nei neuroni, serve a trasmettere informazioni. Assenza di ribosomi e RER: non c’è sintesi proteica (le proteine devono essere trasportate). La membrana ha caratteristiche diverse da quelle del soma (trasmissione). È il neurite più grosso e lungo. Ce n’è uno per neurone. Nella parte terminale ha un rigonfiamento chiamato bottone sinaptico in cui il messaggio elettrico arriva. A livello del terminale assonico avviene la sinapsi. A volte il terminale assonico è molto ramificato: ciascuna ramificazione fa sinapsi con dendriti o corpi cellulari adiacenti. Quando un assone contatta un altro neurone (sinapsi) si parla di innervazione.

Caratteristiche del citoplasma dell’assone:

• Presenza di vescicole sinaptiche che contengono neurotrasmettitori
• Superficie membrana interna di fronte alla sinapsi ricca di proteine
• Citoplasma ricco di mitocondri

Trasporto assoplasmatico (=trasporto di proteine, racchiuse in vescicole, lungo i microtubuli). È un trasporto anterogrado: dal soma al terminale assonico. Un altro tipo di trasporto è quello retrogrado (dal terminale al soma), che utilizza la proteina dineina (al posto dalla chinesina). È un trasporto che è alla base di alcune malattie come l’herpes labiale: il virus entra nella ferita della bocca, tramite l’assone arriva al cervello e lì rimane fino a quando poi torna indietro.

Dendriti

• Albero dendritico
• Ricevono l’informazione
• Recettori (proteine) situati sulla membrana post-sinaptica
• Citoplasma simile a quello dell’assone, ma talora ci sono poliribosomi sotto la membrana post-sinaptica (produzione di proteine stimolata da neurotrasmettitore)

Spine dendritiche = estroflessioni dendritiche con le quali si mette in contatto il terminale assonico. Il loro numero è ridotto in condizioni di ritardo mentale (impoverimento ambientale durante il “periodo critico”). Ciascuna spina dendritica è sede di un contatto sinaptico. Le spine dendritiche fungono da compartimenti elettrici, isolando e amplificando i segnali elettrici ricevuti dalle sinapsi.

Classificazione dei neuroni

I neuroni vengono classificati diversamente sulla base di:

• Numero di neuriti:
  • 1 neurite = unipolare (gli unipolari sono la classe più semplice e sono costituiti da un solo processo primario spesso privo di grandi ramificazioni; molto diffuse negli invertebrati, nei vertebrati formano i gangli del SNA)
  • 2 neuriti = bipolare (i neuroni bipolari sono costituiti da due processi: dendrite e assone; molti bipolari sono neuroni di natura sensitiva come nella retina. Particolari neuroni bipolari sensitivi che veicolano informazioni somatiche detti pseudo-unipolari: provvisti di due branche una verso la periferia e l’altra verso il midollo spinale (ganglio delle radici dorsali))
  • Più di 2 neuriti = multipolare (sono i più diffusi nei vertebrati; hanno 1 assone e svariati dendriti. La complessità dendritica si associa alla funzione svolta, es. neurone spinale 10.000 contatti sinaptici; cellule di Purkinje 150.000 contatti)
• Connessioni:
  • Neuroni sensitivi
  • Neuroni motori
  • Interneuroni
• Struttura dell’albero dendritico:
  • Cellule stellate
  • Cellule piramidali
• Lunghezza dell'assone

Cellule gliali

Possono trasformarsi in neuroni. Gli astrociti sono le cellule gliali più numerose. Regolano il contenuto chimico del fluido extracellulare (neurotrasmettitori, sostanze nocive come K+). Prendono il nome dalla loro forma a stella e svolgono molte funzioni importanti:

• Nutrono i neuroni
• Tamponano la concentrazione extra-cellulare del K+
• Catturano i neurotrasmettitori che fuoriescono dalla fessura sinaptica e li metabolizzano
• Sono in contatto da un lato con i vasi del sistema circolatorio, dall’altro con i neuroni. Gli astrociti, assieme alle cellule endoteliali dei vasi, vanno a costituire la barriera ematoencefalica (=struttura funzionale che regola il passaggio sanguigno di sostanze chimiche da e verso il cervello, proteggendo il sistema nervoso da avvelenamenti e intossicazioni).

Gli oligodendrociti sono le cellule gliali che formano la guaina mielinica degli assoni. Tra le altre cellule gliali troviamo anche:

• Ependimali: tappezzano i ventricoli; regolano la direzione della migrazione cellulare durante lo sviluppo cerebrale
• Microglia: fagociti per neuroni e cellule gliali in degenerazione; riparano i tessuti danneggiati fagocitando quel che rimane delle cellule morte; elementi della microglia si attivano e mutano nel corso di infezioni, lesioni o altri disturbi

Funzioni delle cellule gliali:

• Forniscono sostegno ai neuroni e separano particolari gruppi di neuroni tra loro
• Producono mielina che è la guaina isolante degli assoni
• Alcune cellule hanno funzione fagocitaria e rimuovono frammenti cellulari
• Svolgono importanti funzioni di manutenzione
• Alcune cellule gliali (astrociti) sono costituenti della barriera ematoencefalica
• Nutrono i neuroni
• Riparano i tessuti e difendono da agenti patogeni (sostituendo il sistema immunitario)
• Alcune cellule gliali (“glia radiale”) in fasi di sviluppo guidano i neuroni e dirigono la crescita dell’assone

La membrana del neurone a riposo

Come nascono i segnali elettrici a livello del singolo neurone? Il neurone conduce informazioni attraverso segnali elettrici (impulsi) che si muovono lungo l’assone, che manda il segnale output. La generazione di impulsi è possibile perché il neurone ha una membrana eccitabile (caratteristica fondamentale dei neuroni), che può essere caricata elettricamente. Quando il neurone non sta facendo niente, la membrana ha un potenziale di riposo (no scariche elettriche). Il potenziale di riposo esiste perché l’interno e l’esterno della cellula sono separati dalla membrana plasmatica che funge da isolante di cariche elettriche. Durante il potenziale di riposo, l’esterno della cellula è carico positivamente mentre l’interno negativamente. A partire dal potenziale di riposo, un’inversione di questa tendenza determina il potenziale d’azione.

Il potenziale di membrana

Nel citoplasma della cellula ci sono diversi tipi di ioni, molecole che hanno una carica elettrica netta (o positiva o negativa). Il potenziale di membrana corrisponde alla differenza di potenziale elettrico tra l’interno e l’esterno della cellula, che a sua volta riflette la diversa distribuzione di ioni tra dentro e fuori la cellula. Il potenziale del neurone a riposo è di -70 mV (milllivolt). I protagonisti del potenziale di riposo sono gli ioni, i canali ionici e la membrana cellulare.

Che cosa sono gli ioni?

Gli ioni sono entità molecolari elettricamente cariche quando un atomo (o una molecola o un gruppo di atomi legati tra loro) cede o acquista uno o più elettroni si trasforma in uno ione. Ogni ione presenta una propria carica (+ o -), che dipende dal numero di elettroni acquistati o ceduti. La molecola d’acqua presenta un’ineguale distribuzione di cariche elettriche: 1 atomo ossigeno carica negativa + 2 atomi idrogeno carica positiva solvente di molecole cariche (o polari). L’acqua è il principale costituente del citosol e del fluido extracellulare. Le molecole dell’acqua attraggono gli ioni. Gli ioni si dissolvono in acqua. Le molecole d’acqua esercitano una forza di attrazione sugli ioni molto più forte rispetto a quella degli ioni tra di loro. Gli ioni quindi si distaccano e vengono circondati da molecole di acqua. Gli ioni dissolti nell’acqua sono responsabili sia del potenziale a riposo che del PdA. L’acqua è una molecola con una parziale carica positiva e una parziale carica negativa in grado di formare legami sia con Na⁺ che con Cl^-. Gli ioni con carica positiva sono chiamati cationi (principali: potassio, sodio, calcio), mentre quelli a carica negativa anioni (cloro).

La membrana plasmatica si comporta come un isolante, infatti è formata da un doppio strato fosfolipidico (ogni strato è composto da fosfolipidi con una testa polare idrofila e una coda apolare idrofoba). Grazie alle code idrofobe, gli ioni non possono passare. Esistono però sulla membrana proteine che permettono agli ioni di entrare. Queste proteine di membrana sono definite canali ionici, i quali sono:

• Selettivi: ogni canale solitamente fa passare uno ione specifico
• Alcuni canali sono sempre aperti (canali passivi)
• Altri canali si aprono e si chiudono a seconda di determinati stimoli (canali ad accesso variabile)

Gli ioni si spostano sempre da dove sono più concentrati a dove lo sono meno, attraverso canali ionici e si muovono anche a seconda del gradiente elettrico.

Canali ionici ad accesso variabile

Alcuni variano la loro permeabilità quando vi è una variazione del voltaggio, altri in risposta ad una sollecitazione meccanica sulla cellula (mediata dal citoscheletro), altri ancora a seconda della presenza all’esterno di messaggeri chimici (neurotrasmettitori, ormoni), mentre alcuni variano la loro permeabilità in risposta ad un messaggero intracellulare (2° messaggero).

Come si muovono gli ioni per attraversare la membrana

Tutte le attività del sistema nervoso, dalla generazione dei potenziali di membrana alla trasmissione sinaptica, dipendono strettamente dal flusso dei diversi tipi di ioni tra il citoplasma e il liquido extracellulare, attraverso la membrana citoplasmatica. Il flusso degli ioni è regolato da due meccanismi:

• Diffusione: la diffusione regola il movimento di tutte le molecole solubili (e quindi non solo gli ioni) e consiste nello spostamento delle molecole dalla zona dove esse sono più concentrate alla zona dove sono meno concentrate. In una cellula nervosa la diffusione dipende dalla permeabilità della membrana nei confronti di quella molecola (canali ionici) e dal gradiente di concentrazione di quella molecola (differenza di concentrazione fra i due lati).
• Forze elettriche: gli ioni si muovo anche secondo gradiente elettrico. Il flusso di corrente elettrica è determinato da:
  • Potenziale elettrico: differenza di carica elettrica fra i due lati della membrana (o voltaggio; differenza di carica anodo-catodo)
  • Conduttanza elettrica (o dal suo reciproco, la resistenza)

Potenziale di equilibrio ionico

Potenziale di equilibrio per uno ione = differenza di pot...

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