Neurofisiologia

Sistema vestibolare

A. Descrivere l’organo vestibolare dell’orecchio interno e le caratteristiche dei recettori vestibolari delle creste ampollari e delle macule utricolari e sacculari; descrivere gli organi otolitici; descrivere le caratteristiche dell’endolinfa e della perilinfa.

L'organo vestibolare è una struttura membranosa che fa parte dell'orecchio interno delle dimensioni di pochi mm e localizzata nel labirinto osseo. Il sistema vestibolare ha funzioni sensoriali che contribuiscono alla percezione della posizione, al rilevamento dei movimenti e dell'orientamento spaziale del capo ed inoltre contribuisce al mantenimento dell'equilibrio.

L'apparato vestibolare di entrambi i lati risulta composto da tre canali semicircolari e due organi otolitici, contenenti endolinfa, liquido ad alta viscosità ad alta concentrazione di K+, bassa concentrazione di Na+ e bassissima di Ca2+, e circondati da perilinfa, liquido a bassa concentrazione di K+.

I canali semicircolari sono denominati canale orizzontale, superiore e posteriore e sono orientati ortogonalmente tra di loro. Ciascun canale semicircolare è composto da un dotto semicircolare, che termina a un'estremità in un'espansione detta ampolla, ed è connesso all'utricolo sia dal lato ampollare che dal lato del dotto semicircolare.

All'interno dell'ampolla si trova un ispessimento detto cresta ampollare, che contiene l'epitelio sensoriale a forma di sella, contenente le cellule ciliate, sormontato dalla cupola, un diaframma gelatinoso che occlude completamente l'ampolla.

Le variazioni di pressione dell'endolinfa, indotte da accelerazioni angolari della testa, provocano deformazioni della cupola e, di conseguenza, determinano la flessione delle ciglia della cresta. La cupola possiede la stessa gravità specifica dell'endolinfa e non è, pertanto, modificata dalle forze di accelerazione angolare, come la forza di gravità.

Gli organi otolitici sono invece il sacculo e l'utricolo, due piccole formazioni globose. Il sacculo presenta una comunicazione con la coclea, attraverso la quale l'endolinfa prodotta dalla stria vascolare della coclea può raggiungere l'apparato vestibolare, mentre l'utricolo comunica con il sacculo attraverso il ductus reunien.

Le cellule cigliate vestibolari, meccanocettori, sono connesse mediante sinapsi chimica al primo neurone della via afferente e possiedono lunghe ciglia, stereociglia, ed un lungo chinociglio in posizione eccentrica, che sporgono sulla superficie apicale delle cellule sensoriali. Sulla superficie basale invece prendono contatto sinaptico con il neurone afferente primario, i cui assoni andranno a costituire il nervo vestibolare.

L'epitelio sensoriale degli organi otolitici viene definito rispettivamente macula utricolare e macula sacculare; quella utricolare è disposta sul pavimento di ogni utricolo e le cellule ciliate utricolari hanno quindi direzioni eccitatorie localizzate in questo piano, avanti-indietro o destra-sinistra, la macula del sacculo invece è disposta sulla parete mediale di ogni sacculo e la maggior parte delle sue cellule ha una direzione eccitatoria verticale, su-giù.

B. Stimolazione meccanica delle cellule recettrici.

Tutte le ciglia, sia nelle creste ampollari sia nelle macule dell'utricolo e del sacculo, sono inglobate in una massa gelatinosa appiattita al di sopra della quale è presente una struttura fibrosa che prende il nome di membrana otolitica su cui poggiano cristalli di carbonato di calcio, otoliti e otoconi.

Se sottoposta ad accelerazioni lineari, inclusa la gravità, in direzione tangenziale, la membrana otolitica si sposta lateralmente a causa dell'inerzia degli otoliti che hanno densità maggiore dell'endolinfa. Siccome le stereociglia delle cellule ciliate degli organi otolitici sono inglobate nella membrana otolitica, l'attivazione di queste cellule sarà proporzionale alle accelerazioni lineari.

Diversamente da quelli dei canali semicircolari, gli epiteli degli organi otolitici contengono cellule ciliate con diverse direzioni eccitatorie. In particolare all'interno di ciascuna macula si osserva una linea curva, detta striola, ai due lati della quale le cellule ciliate presentano direzioni eccitatorie opposte.

Nell'utricolo, le direzioni eccitatorie di tutte le cellule cigliate puntano verso la striola, nel sacculo lontano da essa. La rotazione del capo verso l'alto o verso il basso fa sì che la forza di gravità produca una diversa accelerazione lineare; questa determina uno spostamento delle membrane otolitiche, la flessione delle ciglia in un'altra direzione e una differente organizzazione delle scariche originate dagli organi otolitici e dirette al SNC.

C. Trasduzione e codificazione dello stimolo nelle cellule recettrici.

Le cellule cigliate vestibolari sono funzionalmente polarizzate e presentano il corpo a contatto con la perilinfa e le ciglia a contatto con l'endolinfa. Le ciglia presentano canali meccanosensibili cationici principalmente per il K+.

Se lo stimolo è efficace, al polo apicale, si ha una flessione delle ciglia verso il chinociglio e questo si traduce con un aumento dell'apertura dei canali meccanosensibili provocando così la depolarizzazione della cellula cigliata, causata dall'entrata del K+ e in minor quantità anche dall'entrata del Ca2+ per gradiente elettrico.

Bisogna ricordare che l'entrata del K+ è dovuta al fatto che l'endolinfa, che bagna le ciglia, è ricca di K+ e presenta una bassa concentrazione di Na+ proprio come l'interno delle cellule, proprio per questo motivo, l'entrata si ha per gradiente elettrico e non chimico.

Al polo basale invece la depolarizzazione, potenziale del recettore, si propaga lungo la membrana della cellula inducendo l'apertura di canali voltaggio-dipendenti, che permettono agli ioni Ca2+ di entrare e di rilasciare il neurotrasmettitore, glutammato o aspartato, che a sua volta genera un EPSP e un aumento della frequenza dei potenziali d'azione nel neurone afferente.

Al contrario, la flessione delle stereociglia nella direzione opposta produce iperpolarizzazione della cellula. Quando le cellule cigliate sono depolarizzate liberano quindi maggiori quantità di neurotrasmettitore e la scarica delle fibre afferenti aumenta, mentre quando sono iperpolarizzate liberano una quantità minore di neurotrasmettitore e la scarica delle fibre afferenti si riduce o scompare.

D. Vie afferenti vestibolari ascendenti e discendenti.

Il neurone sensitivo primario di tipo bipolare, il cui soma è localizzato nel ganglio di Scarpa, raggiunge prolungamenti periferici in connessione con i recettori labirintici e prolungamenti centrali che raggiungono il primo nucleo di ritrasmissione, nuclei vestibolari.

I nuclei vestibolari si distinguono in:

• Superiore.
• Laterale.
• Mediale.
• Inferiore.

Le vie afferenti ascendenti proiettano dai nuclei vestibolari al cervelletto, ove si attua la maggior parte dell'integrazione del senso dell'equilibrio e del controllo dei comandi motori per il mantenimento dell'equilibrio. Oppure proiettano dai nuclei vestibolari al talamo, VPL, e alla corteccia cerebrale, parietale, posteriormente alla somatosensitiva primaria che genera la sensazione cosciente della posizione del corpo e della testa nello spazio.

Le vie afferenti discendenti generano i riflessi motori vestibolari che sono movimenti del corpo compensatori per mantenere una stabilità posturale e quindi prevenendo le cadute e si suddividono in: riflesso vestibolare tonico e riflesso vestibolare cinetico.

Il primo causato dagli assoni degli organi otolitici che proiettano al nucleo vestibolare laterale, il quale proietta tramite il tratto vestibolo-spinale ai motoneuroni spinali i quali, eccitati, controllano i muscoli degli arti aiutando a mantenere la postura.

Il secondo causato invece dagli assoni dei canali semicircolari che proiettano al nucleo vestibolare mediale e inferiore che inviano assoni al fascicolo longitudinale mediale per eccitare i motoneuroni del tronco e i muscoli del collo. Questo riflesso genera quindi reazioni motorie complesse intese a correggere con immediatezza, durante i movimenti rapidi del capo, gli sbilanciamenti del corpo rispetto alla normale posizione di equilibrio.

Sensibilità tattile epicritica

A. Descrivere i meccano-recettori superficiali e profondi della cute.

I meccanocettori della cute si dividono in superficiali e profondi. I superficiali sono caratterizzati da campi recettivi piccoli e con bordi netti, tra questi abbiamo i dischi di Merkel, di tipo tonico, che sono sensibili ad una pressione fine e consentono di percepire il contatto continuo di oggetti sulla cute; e i corpuscoli di Meissner, di tipo fasico, che presentano una terminazione nervosa incapsulata e non rispondono ad una pressione persistente bensì alle variazioni di pressione, come un oggetto in movimento sulla cute.

Entrambi sono responsabili di una sensazione tattile fine. Mentre i profondi sono caratterizzati da campi recettivi grandi e con bordi più sfumati, tra questi abbiamo gli organi di Ruffini, di tipo tonico, con terminazioni nervose incapsulate e pluriramificate e rispondono ad una pressione persistente e ad una tensione continua del tessuto; e i corpuscoli del Pacini, di tipo fasico, che segnalano l'inizio e la fine di una stimolazione pressoria o rilevano delle vibrazioni.

Entrambi responsabili di una sensazione di pressione, tensione o vibrazione meccanica. Infine abbiamo i recettori piliferi, di tipo fasico, che segnalano oggetti in movimento sulla cute.

B. Quali recettori sono a lento adattamento e quali a rapido adattamento?

I corpuscoli di Meissner e di Pacini sono a rapido adattamento, mentre i dischi di Merkel e gli organi di Ruffini sono a lento adattamento.

C. Meccanismo della trasduzione, potenziale del recettore, e codificazione, scarica di potenziali d’azione, delle proprietà, intensità, durata, dello stimolo meccanico tattile.

Lo stimolo meccanico viene convertito in stimolo elettrico in tre fasi: inizialmente, lo stimolo meccanico, pressione, deforma la membrana del recettore, ciò provoca l'apertura dei canali cationici che permette al Na+ di entrare e di depolarizzare il recettore, infine se il potenziale del recettore generato nel segmento iniziale è sopra soglia, vengono generati dei potenziali d'azione che si propagano lungo l'assone.

I recettori a rapido adattamento sono recettori fasici, che rispondono all'instaurarsi dello stimolo, ma rapidamente adattano la loro risposta e la frequenza dei potenziali d'azione si riduce rapidamente fino ad azzerarsi. Mentre i recettori a lento adattamento sono tonici, sono sensibili a stimoli sia variabili che costanti: per essi infatti la risposta consiste in una scarica di potenziali d'azione la cui frequenza dipende dall'intensità istantanea dello stimolo.

Ciò consente di avere dunque informazioni statiche o dinamiche dello stimolo. L'intensità dello stimolo applicato fornisce sia un codice dell'attività neuronale dato dall'ampiezza del potenziale d'azione e dalla frequenza di potenziali d'azione nel neurone recettore, sia un codice di popolazione che indica il numero di neuroni recettore che sono stati attivati.

D. Descrivere la via afferente ed i centri di ritrasmissione fino alle aree corticali di elaborazione finale dell’informazione, localizzazione ed organizzazione dell’area corticale somatosensitiva primaria.

Dal talamo vengono inviate proiezioni alla corteccia somatosensitiva primaria, situata lungo il giro post-centrale, posteriormente alla scissura di Rolando. Strutturalmente si suddivide in quattro porzioni, distinte aree corticali che, procedendo in senso antero-posteriore corrispondono alle aree di Brodmann 3a; 3b; 1; 2.

Le informazioni tattili arrivano all'area 3b che proietta poi alle aree 1 e 2. L'area 1 serve per la discriminazione delle caratteristiche della superficie degli oggetti, tessitura, mentre l'area 2 serve per percepire la forma degli oggetti tramite la manipolazione.

La via afferente della sensibilità tattile propriocettiva è la via delle colonne dorsali, lemnisco mediale. L'assone del primo neurone afferente ascende direttamente lungo le colonne dorsali ipsilaterali del midollo spinale a formare i fascicoli gracile e cuneato.

Questi terminano nel bulbo a livello dei nuclei gracile e cuneato, dai quali originano le fibre sensoriali di secondo ordine che subito decussano e ascendono nel lato opposto del tronco encefalico, sino a terminare nel nucleo ventrale postero laterale del talamo, questa proiezione costituisce il fascio di fibre denominato lemnisco mediale.

Sistema olfattivo

A. Descrivere la mucosa olfattiva e le caratteristiche dello stimolo olfattivo e del recettore olfattivo.

Nell'epitelio olfattivo che riveste la porzione superiore delle fosse nasali, sono ubicati i recettori olfattivi per la percezione degli odori. Gli stimoli che evocano le sensazioni olfattive sono composti chimici chiamati odoranti, mentre le sensazioni olfattive sono dette odori.

Le molecole odoranti sono piccole molecole volatili presenti nell'aria inspirata, che entrano nelle cavità nasali e si legano a proteine leganti olfattive, OBPs, secrete da una ghiandola della cavità nasale e che aiutano le molecole a dissolversi nel muco nasale.

La mucosa olfattiva è caratterizzata da un epitelio pseudostratificato di vario spessore in cui si rinvengono tre tipi principali di cellule: i recettori olfattivi, chemocettori, cellule di sostegno a funzione trofica, che regolano anche la composizione ionica del liquido interstiziale, e cellule basali che sono elementi globosi o appiattiti localizzati nella porzione basale del neuroepitelio.

Si tratta di cellule staminali che garantiscono il normale ricambio delle cellule neuronali e che via via si differenziano in nuovi recettori, turnover rapido.

I chemocettori olfattivi, che nell'uomo sono circa 20 milioni, sono cellule nervose bipolari provviste di ciglia e a rapido turnover, infatti vengono continuamente sostituiti e il loro ciclo vitale è di circa 60 giorni. Queste ciglia sono lunghe fino a 200 nm e si proiettano nel muco che riveste la superficie interna delle cavità nasali e in cui sono dissolte le sostanze chimiche che evocano la risposta olfattiva.

I chemocettori sono altamente sensibili, nel senso che hanno una bassa soglia di attivazione, sensibili a concentrazioni della molecola odorante di 10^-9 mg/ml, e altamente specifici, in quanto sono in grado di distinguere fino a 10.000 odori diversi.

Dalla porzione basale delle cellule olfattive recettrici origina un assone che si dirige centralmente, penetra nella base cranica attraverso la lamina cribrosa dell'etmoide e termina formando connessioni sinaptiche nel bulbo olfattivo, una struttura del SNC situata sulla base cranica immediatamente al di sotto del lobo frontale. Questo prolungamento centrale permette di codificare le proprietà dello stimolo olfattivo.

B. Descrivere il meccanismo molecolare della trasduzione dello stimolo olfattivo.

Il processo di trasduzione degli stimoli olfattivi avviene a livello delle ciglia in quanto su di esse sono presenti recettori di membrana accoppiati a proteine G trimeriche. Quando la molecola odorante si lega allo specifico recettore, il complesso recettore-odorante attiva la proteina G, che si combina con una molecola di GTP rilasciando GDP.

Quindi fondamentalmente si ha l'attivazione dell'adenilato ciclasi che comporta un aumento della concentrazione di AMPc, e che a sua volta attiva un canale permeabile al Ca2+ -AMPc dipendente che genera una depolarizzazione del ciglio e, quindi, un potenziale del recettore.

Il potenziale del recettore genera correnti elettrotoniche che fluiscono verso il soma e il segmento iniziale dell'assone. Successivamente si ha un processo di codificazione a livello del cono d'emergenza che presenta le caratteristiche di encoder.

Servono circa 7-12 molecole di odorante per dare origine ad un potenziale d'azione da parte dei recettori olfattivi, alta sensibilità, e circa 40 potenziali d'azione/s affinché si ottenga una percezione cosciente dell'odore, in quanto si verificherebbero fenomeni inibitori lungo la via di trasmissione.

Dunque la qualità dello stimolo olfattivo dipende dal tipo di sostanza odorosa e dalla presenza di recettori specifici e di uno specifico pattern di attivazione. L'intensità dello stimolo olfattivo dipende invece dalla concentrazione della sostanza odorosa nell'aria inspirata mentre la durata dello stimolo dipende dal tempo di persistenza della molecola odorosa nell'aria inspirata.

Si manifestano tuttavia fenomeni di adattamento e riduzione della percezione dello stimolo in seguito all'esposizione prolungata agli odori. Sono noti due meccanismi di adattamento, entrambi calcio-dipendenti: AC inibita da CAMKII e quello del canale del Ca2+ inibito dal Ca2+.

C. Vie olfattive ed elaborazione centrale delle informazioni.

La prima stazione delle vie olfattive è il bulbo olfattivo che è una struttura corticale. Il bulbo olfattivo contiene tre tipi principali di cellule: le cellule mitrali, le cellule a pennacchio e interneuroni, cellule dei granuli e cellule periglomerulari.

I dendriti delle cellule mitrali e delle cellule a pennacchio sono lunghi e arborizzano a formare la componente postsinaptica dei glomeruli olfattivi. Le fibre afferenti olfattive che giungono al bulbo olfattivo dalla mucosa olfattiva si ramificano al loro approssimarsi ai glomeruli, dove stabiliscono contatti sinaptici con i dendriti delle cellule mitrali e delle cellule a pennacchio.

Le cellule dei granuli e le cellule periglomerulari sono interneuroni inibitori e formano sinapsi dendro-dendritiche reciproche con dendriti delle cellule mitrali. È pertanto lecito supporre che l'attività in una cellula mitrale depolarizzi le cellule inibitorie che formano sinapsi con le stesse cellule mitrali e liberi, pertanto, un neurotrasmettitore inibitorio che esplica la sua azione sulle cellule mitrali con meccanismi di inibizione laterale, feed-forward e feed-back, contribuendo a ridurre il flusso delle informazioni olfattive e ad affinare l'informazione aumentando il contrasto tra gli stimoli.

Le vie olfattive centrali sono proiezioni complesse del tratto olfattivo ad aree distinte della faccia inferiore dell'encefalo, senza passare prima dai nuclei talamici. Diverse regioni costituiscono la corteccia olfattiva primaria: