Neurofisiologia

Introduzione al sistema nervoso

Funzione in un organismo complesso: permettergli di interagire con l’ambiente (esterno ma

anche interno, inteso come parametri fisiologici che devono essere controllati) in maniera il

più possibile efficace, elaborando le informazioni ricevute al fine di generare una risposta

effettrice (esterna o interna) adatta.

A questo scopo è coadiuvato dal sistema endocrino che però agisce con meccanismi differenti:

le differenze riguardano il tipo di segnale (elettrochimico vs ormone), la specificità (cellula-

cellula vs organismo-recettore del bersaglio), la velocità di connessione (rapida ma breve vs

lenta ma prolungata), codifica dell’intensità del segnale (frequenza di scarica vs quantità di

ormone).

Organizzazione strutturale

SNC: encefalo (prosencefalo: diencefalo e emisferi telencefalici / tronco encefalico: bulbo,

ponte, mesencefalo/ cervelletto - embriogenesi) e midollo spinale (mielomeri - lunghezza

nervi – sostanza bianca e grigia – rigonfiamenti cervicale e lombare).

Ventricoli: all’interno decorre il fluido cerebrospinale generato dal plesso corioideo all’interno

della superficie del ventricolo. Ventricoli laterali (corno temporale, occipitale, frontale) – foro

– terzo ventricolo (medialmente a talamo) – acquedotto cerebrale – quarto ventricolo (tra

cervelletto e tronco encefalico).

Corteccia: scissura laterale di Silvio (divide il temporale dal frontale e dal parietale); solco

centrale di Rolando (frontale-parietale); solco parieto-occipitale.

SNP: nervi cranici e spinali (8 paia cervicali, 1 coccigeo), gangli del SN somatico e autonomo

(comunicazione SNC -periferia). Componenti motoria – sensitiva / somatica- viscerale

(innervazione effettrice somatica: muscoli scheletrici – viscerale: muscolatura liscia, cuore,

ghiandole).

Componente cellulare e organizzazione dei circuiti nervosi

Neuroni: nell’ordine di miliardi, grande varietà morfologica (unipolare, pseudounipolare,

bipolare, multipolare) e funzionale (neuroni sensoriali, motoneuroni, interneuroni locali o i

proiezione) con funzione di elaborazione dell’informazione ricevuta e trasmissione.

polarizzazione dinamica:

Proprietà: trasmissione delle info in un’unica direzione/

specificità della connessione: bersagli specifici

Metà 800 “teoria reticolare” Golgi: neuroni in contatto citoplasmatico

Cajal: neurone unità isolata dal punto di vista citoplasmatico: unità sia metabolica (sezione di

un assone porta a degenerare solo il neurone da cui origina) che funzionale (capacità di

generare segnali in una sola direzione, polarizzazione dinamica).

Corpo – dendriti (quantificabili in base al grado di convergenza che è vario; in molti neuroni

coinvolti in sinapsi eccitatorie si ha un’ulteriore specializzazione dell’arborizzazione

dendritica: spine dendritiche, protrusioni dinamiche su cui avvengono numerose sinapsi il cui

sviluppo o la cui rimozione è il fenomeno alla base della plasticità sinaptica, fondamento dei

processi di apprendimento, e che possono altresì servire, come unità submetabolica, da

riserva di proteine coinvolte nelle sinapsi) – assone (specializzato nella trasmissione di

segnali; lunghezza diversa a seconda del tipo di neurone [molto lungo in quelli di proiezione].

L’eventuale innesco del PdA avviene nel suo segmento iniziale dove c’è più probabilità che le

correnti post-sinaptiche raggiungano il valore soglia data l’alta densità di canali ionici

voltaggio-dipendenti. Può essere o meno rivestito da mielina, interrotta a livello dei nodi di

Ranvier per consentire la più veloce conduzione saltatoria dell’impulso).

Citoscheletro: microtubuli (di cui si avvale come corsie il trasporto assonico rapido

anterogrado mediato da chinesine, retrogrado mediato da dineine che riguarda vescicole

sinaptiche e organelli; il trasporto lento invece è sempre anterogrado, non si avvale di

microtubuli e riguarda enzimi e altre proteine); neurofilamenti, microfilamenti (nei terminali

assonici).

Trasporto: i neurotrasmettitori non peptidici sono sintetizzati direttamente nel terminale

assonico, ma gli enzimi necessari alla sintesi sono lì trasportati via trasporto assonico lento; i

neurotrasmettitori peptidici sono invece sintetizzati nel corpo e poi trasportati via traporto

assonico rapido.

Glia: sostegno meccanico, al metabolismo, alla trasmissione di segnali, alla riparazione, allo

sviluppo. Derivano dagli stessi precursori embrionali dei neuroni, di cui sono numericamente

fino a 10 volte maggiori.

Funzioni accertate:

- mantenimento della composizione dell’ambiente ionico delle cellule nervose

- riassorbimento soprattutto di Glu e GABA dal vallo sinaptico (importante perché il

tempo di permanenza del neurotrasmettitore nel vallo influenza l’intensità del segnale

trasmesso)

- Guida nella migrazione neuronale durante lo sviluppo

- Attività macrofagica in seguito a danni

Nell’SNC:

Macroglia

-ependimociti,

- astrociti: protoplasmatici nella sostanza grigia, fibrosi nella sostanza bianca, con propaggini

che avvolgono rispettivamente il corpo cellulare e le sinapsi o i nodi di Ranvier e circondano i

capillari delle arteriole cerebrali costituendo così la barriera ematoencefalica che controlla gli

scambi e la composizione del liquido extracellulare, isola le sinapsi e provvede all’apporto

energetico dei neuroni.

Rivestono infatti un ruolo importante nella regolazione della concentrazione del potassio che

aumenta proporzionalmente all’attività neuronale e che provvedono a rimuovere in virtù

della loro maggiore densità di canali del potassio (potenziale di membrana più basso rispetto

ai neuroni), di pompe sodio potassio e cotrasportatori cloro-potassio e del tamponamento

spaziale di un suo accumulo per mezzo della sua diffusione, attraverso giunzioni comunicanti,

negli altri astrociti.

All’isolamento delle sinapsi provvedono invece disponendosi attorno ai valli e impendendo

che i neurotrasmettitori possano influenzare sinapsi vicine, contribuendo in tal modo a

mantenerne la specificità; modulano inoltre l’intensità del potenziale postsinaptico indotto da

Glu e GABA che provvedono a riassorbire dal vallo attraverso trasportatori di membrana

specifici (rispettivamente trasportatore degli aa eccitatori e GAT). Dall’altro lato forniscono ai

neuroni gli stessi precursori di questi neurotrasmettitori: il glutammato internalizzato viene

convertito in glutammina liberata e captata dai neuroni che ne ricaveranno, grazie alla

presenza nel terminale assonico della glutaminasi, di nuovo glutammato (ciclo glutammina-

glutammato). Dal glutammato si potrà inoltre ottenere il GABA attraverso la decarbossilasi.

E’ stato inoltre dimostrato (contro l’idea che vede il neurone come unità metabolica), il ruolo

degli astrociti nell’apporto energico al neurone, adeguato e proporzionale alla sua attività: dal

sangue gli astrociti ricavano glucosio e attraverso il ciclo di Krebs ottengono substrati utili,

come il lattato, all’attività metabolica del neurone; una maggiore captazione di

neurotrasmettitori come il glutammato dal vallo da parte degli astrociti, indice di una

maggiore attività neuronale, incrementa il rifornimento da parte degli stessi di substrati

energetici di supporto all’attività.

- oligodendrociti: hanno un corpo sferico da cui si dipartono pochi processi primari da cui

originano più processi secondari paralleli; sono anch’essi connessi da giunzioni comunicanti;

ciascuno provvede alla mielinizzazione di diversi segmenti assonali tramite degli avvolgimenti

attorno agli stessi proporzionali al diametro dell’assone, aumentandone l’isolamento e

riducendone la capacità. Alla fine del processo non è più presente del citoplasma ma una

membrana specializzata di lipidi e proteine.

Microglia (macrofagi)

Nel SNP:

- Cellule di Schwann: avvolgimento incapsulante (di sostegno strutturale e non di

miglioramento della conduzione) negli assoni più piccoli, mielinizzazione di un unico

segmento di assone (conduzione saltatoria del PdA)

- cellule satelliti

Le caratteristiche funzionali del sistema nervoso sono determinate non tanto dai neuroni in sé

connessioni circuiti.

quanto piuttosto dalle loro che portano alla formazione di veri e propri

Es. di circuito di base: riflesso miotatico

1. La percussione con il martelletto provoca lo stiramento del tendine che, a sua volta, stira il

recettore sensoriale (fuso neuromuscolare) del muscolo estensore della gamba.

2a. Il neurone sensoriale eccita il motoneurone del midollo spinale

2b. Il neurone sensoriale eccita anche l’interneurone spinale.

2c. L’interneurone inibisce il motoneurone del muscolo flessore

3a. Il motoneurone conduce il potenziale d’azione alle sinapsi delle fibre del muscolo

estensore, causando la contrazione

3b. Il muscolo flessore si rilassa perché l’attività dei suoi motoneuroni è stata inibita.

4. La gamba si estende.

Sistemi neuronali

Più circuiti possono essere funzionalmente raccolti in interi sistemi neuronali: sistemi di

sensibilità, sistemi motori e sistemi associativi (interazione tra memoria, pianificazione, livelli

emozionali).

Le loro componenti non devono essere necessariamente localizzate in una specifica zona del

corpo; molto spesso dispongono di un’organizzazione delle informazioni ordinata in mappe

(topografiche, tonotopiche etc); possono avere dei sottosistemi che si mantengono segregati

in tutto il sistema.

Metodi di analisi del sistema nervoso

1. Correlazione tra lesioni e deficit funzionali: post portem / tramite Tac o risonanze

magnetiche / lesioni indotte (es. tramite inattivazioni farmacologiche) in modelli animali

2. Uso di traccianti per identificare le connessioni neurali: (anterogradi: stessa direzione del

potenziale d’azione o retrogradi), recentemente si utilizzano anche marcatori o molecole

reporter,

fluorescenti fatte sintetizzare in animali transgenici da un gene permettendo di

individuare il precursore e seguire lo sviluppo e i processi che coinvolgono i neuroni

identificati.

3. Registrazione elettrofisiologica in seguito a stimolazione elettrica o chimica: attraverso

microelettrodi permette di visualizzare l’attività neuronale in termini di potenziali d’azione in

funzione del tempo/ visualizzazione funzionale in attività (nell’uomo, non invasivo, attraverso

le moderne tecniche di imaging funzionale: Risonanza Magnetica Funzionale): basate sulla

relazione tra l’attivazione neuronale ed attività metaboliche (consumo di ossigeno e glucosio

marcati con traccianti radioattivi).

Potenziale di membrana a riposo

Differenza di carica tra interno ed esterno della cellula mantenuta da pompe ioniche, in

particolare la pompa sodio-potassio, che mantengono una diversa concentrazione di specie

ioniche ai lati della membrana (potassio maggiormente concentrato all’esterno e sodio

all’interno), e dalla presenza di canali selettivi per potassio che ne provocano una corrente

verso l’esterno che si interrompe quando, all’equilibrio, gli si oppone il gradiente elettrico,

cosicché in quella condizione la differenza di potenziale è mantenuta (-40/- 90 mV

dall’interno verso l’esterno) ma non vi è corrente. Il potenziale d’equilibrio di un’unica specie

ionica è dato dall’equazione di Nernst; per più specie ioniche invece, come nel caso del

potenziale di membrana a riposo, sarà dato dal rapporto delle concentrazioni pesate per la

permeabilità ai diversi ioni (equazione di Goldman).

Potenziale d’azione

Il PdA è una rapida variazione del potenziale di membrana che, se innescata in seguito al

superamento di un valore soglia, assume la stessa forma stereotipata (legge del tutto o nulla)

data da una rapida depolarizzazione (ingresso di cationi) seguita da una ripolarizzazione

(uscita di cationi), che si propaga lungo la fibra.

Ad una prima depolarizzazione locale (in seguito ad uno stimolo come un potenziale

postsinaptico, un potenziale di recettore, un impulso di corrente) che avvicina il potenziale al

valore soglia, infatti, fa seguito l’innesco del potenziale d’azione determinato dall’apertura dei

canali per il sodio voltaggio-dipendenti che portano ad un aumento della conduttanza per il

sodio e quindi al suo rapido ingresso che comporta un rapido incremento della

depolarizzazione.

A questo evento fa seguito un processo autonomo di inattivazione dei canali voltaggio

dipendenti che danno inizio alla successiva fase di ripolarizzazione, che prosegue in seguito

ad un aumento ritardato della conduttanza per il potassio (dovuta stocasticamente ad una

maggiore apertura dei canali per il potassio) che comporta un’ulteriore iperpolarizzazione.

Avvengono quindi essenzialmente due meccanismi di controllo a retroazione: una prima

positiva che porta, in seguito alla depolarizzazione, ad eventi (apertura dei canali voltaggio

dipendenti) volti ad incrementare la stessa. Una seconda, negativa, che porta invece, in

seguito alla depolarizzazione, ad eventi (maggiore apertura dei canali per il potassio) che si o

alla stessa.

Conduzione del PdA lungo l’assone

Affinché si verifichi è richiesto:

- Un flusso passivo (secondo gradiente elettrico)

- Un flusso attivo (legato all’attivazione dei canali voltaggio dipendenti)

La differenza di potenziale che si genera tra il punto in cui hanno fatto ingresso gli ioni sodio

in seguito all’apertura dei canali voltaggio-dipendenti e le regioni adiacenti determina una

corrente ionica che porta la depolarizzazione a spostarsi.

Il limite della sua propagazione spaziale sarà dato dalla normale conduttanza della membrana

al potassio che fa sì che l’onda di depolarizzazione (dovuta alla presenza di cariche positive

all’interno della cellula) si esaurisca.

Il parametro temporale invece sarà dato dal rapporto tra resistenza (di membrana o

dell’assone che si oppone alla corrente) e capacità di membrana (di accumulare carica: più

grande è la capacità, maggiore è il tempo necessario per caricarla). velocità di

Il rapporto tra parametro spaziale e quello temporale è responsabile delle

conduzione.

direzione di propagazione

La del PdA non sarebbe unica se l’assone fosse stimolato con un

elettrodo in un punto qualsiasi della sua lunghezza; in realtà lo è fisiologicamente per via della

localizzazione del suo innesco a livello del cono d’emergenza che gli impedisce di propagarsi

verso il corpo data l’assenza di canali sodio voltaggio-dipendenti la cui apertura sarebbe

necessaria al suo mantenimento (flusso attivo). Inoltre, anche dopo essersi allontanato in

direzione anterograda dal cono d’emergenza, il PdA non ha la possibilità di propagarsi

all’indietro per via della refrattarietà che incontra da parte dei canali del tratto che è stato

appena percorso che gli impedisce di essere riaperti immediatamente.

assoni mielinizzati

Negli la velocità di propagazione è aumentata perché, aumentata la

resistenza e ridotta la capacità dei tratti mielinizzati, la corrente non può che fluire attraverso

i nodi di Ranvier (caratterizzati tra l’altro da un’elevata densità di canali del sodio) riducendo

drasticamente i tempi di conduzione che viene detta saltatoria. Confrontando un punto di un

assone mielinizzato alla stessa distanza dal cono d’emergenza di quella di un punto di un

assone non mielinizzato a parità tempo, l’uno si troverà depolarizzato, l’altro no.

Plasticità sinaptica

Le sinapsi sono soggette a plasticità sia a breve termine (legata all’attivazione dei meccanismi

di potenziamento) sia a lungo termine (che agisce sulla regolazione dell’espressione genica).

Ad esempio si è osservato nell’ippocampo che un treno di impulsi ad alta frequenza (in cui gli

stimoli siano abbastanza vicini da far sì che si verifichi una loro sommazione temporale) negli

assoni dei neuroni piramidali CA3 induce un potenziamento a lungo termine nelle sinapsi che

fanno con i neuroni CA1.

Sinapsi

Nelle sinapsi elettriche i potenziali d’azione si propagano tramite un flusso passivo perché le

giunzioni comunicanti permettono il passaggio di determinati ioni.

Le sinapsi chimiche invece si basano sul rilascio di neurotrasmettitori.

Neurotrasmettitori

Il loro effetto può essere diverso a seconda del recettore a cui si legano (si indicherà il loro

effetto statisticamente prevalente). Sono immagazzinati nelle vescicole per mezzo di specifici

trasportatori vescicolari (che sfruttano il gradiente protonico) e sono rimossi dal vallo

sinaptico mediante specifici trasportatori di membrana e/o enzimi di degradazione.

In base al peso molecolare si dividono in:

- A basso peso molecolare, sintetizzati nel terminale presinaptico:

Acetilcolina (Ach), eccitatorio. Nel SNP nella giunzione neuromuscolare e nei

o gangli del sistema nervoso autonomo; nel SNC nei nuclei della base e nella

formazione reticolare.

Sintetizzata a partire da acetil-CoA e colina, quest’ultima introdotta nel

terminale presinaptico tramite trasportatori di membrana della famiglia SLC5

(SLC1 sono invece trasportatori sodio-potassio dipendenti; SLC6 cloro-sodio

dipendenti) per mezzo della colina-acetiltrasferasi (CAT). Immagazzinata nelle

vescicole tramite trasportatore VAChT (circa 10000 molecole per vescicola).

Sarin)

Degradata tramite AchE (esterasi inibita dal gas nervino nella fessura

sinaptica in acetato e colina.

Recettori:

Nicotinici (ionotropi di cui la nicotina è agonista; molti veleni

 antagonisti), canali cationici non selettivi per Na+ e K+ costituiti da 5

subunità (, che lega l’Ach, β..) di diversi sottotipi variamente combinate a

conferire una certa flessibilità