Riassunto esame Neurofisiologia, prof. Perciavalle

Neurofisiologia

Lo studio dei neuroni e delle molecole che li compongono. Mentre la psicologia classica parte dalla coscienza dell’individuo e dalla teoria psicologica, le neuroscienze cognitive fanno l’esatto contrario.

Storia

La neuroscienza nasce tra '800 e '900 con Camillo Golgi (premio Nobel nel 1906). Nel 1873 scopre la "reazione nera", un processo con il quale riuscì a rendere visibili i neuroni al microscopio, scoprì anche le terminazioni nervose presenti sui tendini dei muscoli. Golgi è il padre delle neuroscienze, Neher e Sakmann sono i padri delle neuroscienze moderne (premio Nobel nel 1991). Scoprono i "canali ionici" grosse molecole proteiche localizzate nello spessore delle membrane, funzionano come delle porte che si aprono e si chiudono a seconda di stimoli elettrici, chimici e meccanici. La loro nuova tecnica viene chiamata "patch-clamp", consiste in un tubicino di vetro sottilissimo che viene posto a contatto con una porzione ridotta della superficie della membrana cellulare. Dopo il contatto è possibile rompere la membrana lasciando però intatta la vita del neurone e tutte le sue caratteristiche elettrofisiologiche.

Problemi aperti

Le neuroscienze studiano le modalità con cui i neuroni codificano le informazioni in ingresso ed in uscita. Le neuroscienze vogliono comprendere fino a che punto la codifica delle informazioni da parte dei singoli neuroni sia sufficiente per spiegare il comportamento umano.

Sistema nervoso centrale (SNC)

Il sistema nervoso centrale è suddiviso in:

• Encefalo: contenuto nella scatola cranica
  • Proencefalo: (Telecefalo, sede delle funzioni superiori come il linguaggio, pensiero, capacità decisionali) (Diencefalo, comprende talamo e ipotalamo, regola aspetti della vita vegetativa)
  • Tronco dell’encefalo (bulbo): principale via di passaggio delle informazioni tra centri del SNC.
  • Cervelletto: dietro al tronco encefalico. Fondamentale nel controllo del movimento.
• Neuroni: sono in grado di ricevere informazioni dal mondo esterno o da altri neuroni, trasmetterle ad altri neuroni o a cellule specializzate che consentono il movimento, grazie alle sinapsi.
• Cellule gliali: funzioni di sostegno, separano ed isolano alcuni gruppi di neuroni, funzioni di protezione (avvolgendo l’assone danno vita alla guaina mielinica) e in parte nutrono i neuroni, ci sono diversi tipi astrociti, oligodentrociti, microglia.

NB: Lungo l’assone sono presenti delle zone non mielinizzate. Questi particolari spazi sono chiamati nodi di Ranvier. Se la guaina mielinica che circonda gli assoni viene distrutta o danneggiata (demielinizzazione), gli impulsi nervosi che corrono subiscono un notevole rallentamento o possono addirittura bloccarsi. Un tipico esempio di malattia demielinizzante è la sclerosi multipla. La mielina inizia a svilupparsi nel tardo periodo fetale per concludere il suo accrescimento durante i primi 5 anni di vita.

Midollo spinale: contenuto nel canale vertebrale.

Sistema nervoso periferico (SNP)

Comprende i nervi e fibre che trasportano le informazioni a tutti gli organi e tessuti.

Sistema nervoso autonomo (SNA)

Regola le principali funzioni della vita vegetativa.

Funzioni generali

Input: riceve informazioni dall’esterno attraverso canali sensoriali come vista, udito, olfatto, gusto e tatto. Le informazioni vengono raccolte da strutture specializzate dette recettori (sono come dei traduttori).

Output: una volta elaborate le informazioni, i segnali bioelettrici vengono mandati ai muscoli scheletrici (per il movimento del corpo), ai muscoli lisci dei visceri (per regolare le funzioni intestinali), e al muscolo striato cardiaco (per il battito cardiaco). La zona del neurone per gli input è il dendrite, mentre quella per l’output è l’assone. Danni anche a un solo neurone del sistema nervoso centrale possono interrompere la fase di elaborazione, ricezione, trasmissione, es. interruzione fase di trasmissione si va incontro a paralisi flaccida o spastica.

Anatomia funzionale del neurone

• Nucleo: avviene la sintesi proteica nel citoplasma, a livello del reticolo endoplasmatico rugoso. La sostanza prodotta viene anche chiamata tigroide di Nissl. Le principali proteine sintetizzate sono quelle strutturali, per il mantenimento del neurone => Citoscheletro.
• Soma: corpo cellulare del neurone contiene tutte le strutture tipiche di una cellula.
• Dendriti: prolungamenti distinti, dei quali si ramifica ulteriormente in vicinanza del soma.
• Assone: singolo prolungamento e si assottiglia molto dopo aver percorso una breve distanza.
• Ramon Y Cajal si rese conto che dendriti e assone rappresentano rispettivamente la porzione ricevente e trasmittente del neurone. La sua teoria viene chiamata polarizzazione dinamica.
• Nodi di Ranvier: sono pertanto delle interruzioni dei cordoni di mielina che avvolgono il neurone sui quali sono presenti canali ionici. Questi nodi sono importanti poiché permettono all’impulso elettrico di propagarsi più velocemente, cosa che non farebbe nel caso in cui sia presente esclusivamente guaina mielinica.

Traduzione dei segnali

Segnali elettrici

Segnali elettrici (che corrono lungo i dendriti e assoni), il segnale passa direttamente da un neurone all’altro attraverso strutture chiamate gap junctions che sono come dei ponti tra un neurone e l’altro.

• I segnali lungo i dendriti sono potenziali d’azione postsinaptici.
• I segnali lungo l’assone sono potenziali d’azione.
• Il numero di potenziali d’azione viene definito frequenza.
• Più è attivo un neurone e più alta è la frequenza.
• I potenziali postsinaptici possono essere eccitatori o inibitori.
• Un neurone presinaptico è eccitatorio quando scarica un notevole numero di potenziali d’azione, attiva una sinapsi eccitatoria, che provoca un PPSE. Questo vale anche per un neurone presinaptico inibitorio, con la differenza che quando attiva una sinapsi inibitoria provoca sulla membrana postsinaptica un PPSI.

Segnali chimici

La sinapsi chimica (avviene sul bottone terminale)

• Le vescicole sinaptiche di un neurone presinaptico hanno un solo tipo di neurotrasmettitore, eccitatorio o inibitorio che viene poi liberato nella fessura sinaptica. Le vescicole sinaitiche che vengono liberate si legano ai canali Ligand Gated della membrana postsinaptica aprendola.
• Il principale neurotrasmettitore eccitatorio nel SNC è il glutammato.
• Il principale neurotrasmettitore inibitorio nel SNC è il GABA.

Membrane eccitabili e potenziale di membrana

Le membrane eccitabili sono le membrane plasmatiche che circondano neuroni e cellule muscolari. Dividono l’ambiente citoplasmatico (interno della membrana) dall’ambiente extracellulare (esterno della membrana). La membrana è fatta di un doppio strato di fosfolipidi e ha grosse molecole proteiche che vengono chiamate anche proteine di membrana. Il potenziale interno della membrana è diverso dal potenziale esterno, deve esserci una differenza per poter vivere, la differenza di potenziale viene chiamata potenziale di riposo. La differenza in genere è tra i -60mV e -70mV. Le proteine di membrana sono dei canali ionici che permettono o impediscono di lasciare passare gli ioni. Gli ioni sono distribuiti in modo non omogeneo tra due lati della membrana. Queste differenze di concentrazione vengono chiamate gradienti di concentrazione. Abbiamo una proteina/molecola che fa da pompa rilasciando sodio all’esterno della membrana e riportando potassio all’interno, spendendo energia viene chiamata pompa sodio/potassio.

Abbiamo 3 tipi di canali ionici:

• Resting: rimangono sempre aperti.
• Ligand gated: si aprono solo quando una molecola particolare si lega sulla loro superficie. A riposo rimangono chiusi.
• Voltage gated: si aprono quando avvengono delle modificazioni del potenziale di membrana. A riposo sono chiusi.

NB: i ligand gated si trovano in stretto contatto con la sinapsi.

Approfondimenti sulla sinapsi

La sinapsi è la comunicazione tra un neurone trasmittente (presinaptico) e uno ricevente (postsinaptico). I segnali elettrici corrono sulla membrana presinaptica e su quella postsinaptica. Il segnale chimico è invece rappresentato dalla liberazione di un neurotrasmettitore dalle vescicole sinaitiche.

Tipi di neurotrasmettitori

Neurotrasmettitore eccitatorio (glutammato)

• Quando il glutammato si lega ai recettori sulla membrana postsinaptica, si aprono dei canali per il sodio.
• Il recettore per il glutammato è un canale per il sodio.
• Il sodio è uno ione positivo, quando entra nella cellula riduce il numero di cariche negative, cioè depolarizza la membrana, generando un potenziale postsinaptico eccitatorio -> PPSE.
• Più neurotrasmettitori si legano, più canali ligand gated si aprono, più sodio entra.

Neurotrasmettitore inibitorio (GABA)

• Quando il GABA si lega ai recettori sulla membrana postsinaptica, si aprono i canali del cloro.
• Il cloro è uno ione negativo, quando entra nella cellula aumenta il numero di cariche negative, cioè iperpolarizza la membrana, generando un potenziale postsinaptico inibitorio -> PPSI.

Altri tipi di neurotrasmettitori

• Dopamina: la carenza di dopamina è la causa della malattia di Parkinson.
• Noraadrenalina: è presente in alcuni neuroni del tronco dell’encefalo e di una parte del sistema autonomo.
• Acetilcolina: è nella giunzione neuromuscolare ed è molto usato anche nel sistema nervoso autonomo.
• Serotonina: è derivato dall’aminoacido triptofano. Avrebbe un ruolo nella genesi della depressione.
• Peptidi: sono catene di aminoacidi, svolgono la funzione di modulare la sinapsi.

Tipi di recettore

Ogni neurotrasmettitore può avere diversi tipi di recettore e la sua funzione può cambiare a seconda del tipo di recettore. Il glutammato può avere diversi tipi di recettori:

• 3 ionotropici: dei canali ionici ligand gated
• Metabotropici: non accoppiati a un canale ionico.

I recettori ionotropici possono essere di due tipi:

• AMPA: consentono il passaggio di sodio.
• NMDA: per essere aperti richiedono la simultanea presenza sia del ligando (glutammato) che del voltaggio.

Plasticità

Plasticità è la capacità del sistema nervoso di adattarsi alle modificazioni dell’ambiente esterno e/o interno. Il sistema nervoso può modificare la sua struttura e funzione a seguito di un cambiamento ambientale (virus). Il significato può essere non solo protettivo, ma anche maladattativo (provoca una malattia).

Plasticità sinaptica

• La capacità del nostro sistema nervoso di adattarsi alle modificazioni dell’ambiente.
• L’attività dei circuiti neurali viene modificata per via di una modificazione dell’attività delle sinapsi.
• Una nuova informazione viene ricordata quando l’attività in un circuito provoca delle modificazioni a lungo termine.

Plasticità strutturale

La plasticità strutturale si può intendere come una modificazione della struttura del sistema nervoso e dei suoi principali costituenti (in particolare i neuroni) a seguito di modificazioni dell’ambiente esterno e/o interno. Lo studente rammenti che la LTP e LTD, le due forme di plasticità sinora prese in considerazione, non sono legate ad una modificazione della struttura delle sinapsi (terminali assonali, spine dendritiche, ecc.).

Plasticità intrinseca

Per plasticità intrinseca si deve intendere la capacità che ha un neurone di modificare alcune proprietà cosiddette intrinseche (frequenza di scarica dei potenziali d’azione, soglia di attivazione del potenziale d’azione, ecc.). Tali modificazioni avvengono, come quelle relative a LTP e/o LTD, a seguito di cambiamenti dell’ambiente esterno e/o interno. Ma, al contrario di queste, non riguardano il peso delle sinapsi, bensì i meccanismi di generazione del potenziale d’azione.

Cellule gliali

Sono delle particolari cellule del sistema nervoso che hanno funzioni diverse rispetto ai neuroni. Impediscono a tutte le sostanze potenzialmente pericolose circolanti nel sangue di filtrare all’interno del sistema nervoso danneggiandolo.

Le cellule gliali si suddividono in:

• Astrociti, Oligodendrociti, Microglia

Nello specifico, le cellule gliali hanno sei compiti fondamentali:

• Danno forma e sostengono il tessuto nervoso. Separano ed isolano alcuni gruppi di neuroni.
• Un tipo di cellule gliali (oligodendrociti) dà origine alla mielina.
• Hanno funzioni fagocitarie rimuovendo sostanze biologiche che possono danneggiare le cellule nervose.
• Tamponano e rendono costante la concentrazione di potassio negli spazi extracellulari.
• Durante lo sviluppo del sistema nervoso centrale, gli astrociti consentono ai neuroni di migrare dalla sede d’origine embrionale fino alla sede definitiva nel sistema nervoso maturo.
• Contribuiscono alla creazione della barriera emato-encefalica.

Tipi cellulari

• Astrociti: contribuiscono alla crescita dell’assone e svolgono un ruolo determinante nello sviluppo cerebrale. Fungono da impalcatura durante lo sviluppo del SNC, consentendo ai neuroni di spostarsi lungo il sistema nervoso dal loro sito di origine embrionale a quello definitivo del sistema nervoso maturo.
• Oligodendrociti: sono presenti esclusivamente nel SNC ed hanno la specifica funzione di ricoprire, gli assoni dei neuroni. La struttura utilizzata dagli oligodendrociti per effettuare questa funzione è la mielina.
• Microglia: sono i "globuli bianchi specifici" del sistema nervoso e sono dei veri e propri macrofagi (cellule specializzate del sistema immunitario). Hanno il compito di eliminare tutte le sostanze che possono danneggiare il neurone.

La mielina

È un importante funzione è rendere il neurone elettricamente isolato dall’esterno, potendo così propagare gli impulsi elettrici ad una maggiore velocità. La differenza tra la mielina impiegata nel sistema nervoso centrale e quella del sistema periferico condiziona la capacità di rigenerare gli assoni dei neuroni danneggiati. Per questo motivo una lesione che avviene, ad esempio, all’interno del canale vertebrale è una lesione irreversibile. Lungo l’assone sono presenti delle zone non mielinizzate. Questi particolari spazi sono chiamati nodi di Ranvier. Questi nodi sono importanti poiché permettono all’impulso elettrico di propagarsi più velocemente. La conduzione è detta conduzione saltatoria. Questo perché in laboratorio è possibile “vedere” i potenziali d’azione solo sui nodi di Ranvier. Se la guaina mielinica che circonda gli assoni viene distrutta o danneggiata (demielinizzazione), gli impulsi nervosi che corrono subiscono un notevole rallentamento o possono addirittura bloccarsi. La regione demielinizzata viene detta "placca di demielinizzazione" o, più comunemente, "placca". Un tipico esempio di malattia demielinizzante è la sclerosi multipla.

Embriologia del SNC

L’Embriologia è la scienza che studia i processi con i quali gli organismi viventi nascono, crescono e si sviluppano. Lo sviluppo dell’embrione parte dalla fecondazione per passare vari passaggi fino ad arrivare alla gastrulazione. Durante la gastrulazione le cellule si riuniscono, a seconda del loro scopo finale (cioè la formazione di determinati organi, sistemi o apparati), formando dei veri e propri ammassi che vengono a definire tre foglietti embrionali sovrapposti. Processo fondamentale perché dopo la genesi di questi tre foglietti si avrà, per ognuno, lo sviluppo di apparati specifici.

I foglietti embrionali prendono il nome di: ectoderma, mesoderma ed endoderma.

Ectoderma (il foglietto esterno)

L’epidermide (con peli, unghie e mammelle), il sistema nervoso centrale e il sistema nervoso periferico, gli organi di senso.

Mesoderma (il foglietto di mezzo)

• Apparato cardio-circolatorio
• Apparato scheletrico
• Apparato muscolare
• Apparato uro-genitale
• Adipe
• Derma

Endoderma (il foglietto interno)

• Trachea e Polmoni
• Esofago
• Stomaco
• Intestino
• Pancreas
• Fegato
• Milza

Ectoderma

L'ectoderma è la parte della blastula che ci interessa per lo sviluppo del sistema nervoso centrale. Esso darà vita a sistema nervoso, epidermide e organi di senso. Compare durante la terza settimana di vita embrionale e, durante il 18^o giorno di vita intrauterina, il mesoderma induce l’ectoderma a differenziarsi ulteriormente in cellule neuroepiteliali: nasce così il neuroectoderma. Il neuroectoderma darà vita alla placca neurale, precorritrice del sistema nervoso. La placca neurale andrà via-via chiudendosi formando così il tubo neurale, primo abbozzo del sistema nervoso. Questo processo prende il nome di neurulazione. Durante lo sviluppo dell’embrione parte del tubo neurale perderà il suo carattere cilindrico per allargarsi in vescicole cefaliche; queste altro non saranno che gli abbozzi delle diverse zone encefaliche.

Formazione dell’encefalo e del midollo allungato

Il tubo neurale, nella sua parte rostrale (cioè la parte più alta), si divide in tre vescicole, dall’alto verso il basso rispettivamente: Proencefalo, Mesencefalo, Romboencefalo. Durante la quinta settimana viene a crearsi un’ulteriore suddivisione che rende distinguibili il telencefalo, diencefalo, mesencefalo, metencefalo, mielencefalo. A loro volta queste strutture genereranno tutto l’encefalo ed il midollo allungato (mesencefalo, ponte e bulbo).

L’encefalo ed il midollo allungato prendono così forma:

• Telencefalo: Emisferi cerebrali, Corpo striato, Rinencefalo
• Diencefalo: Ipotalamo, Neuroipofisi, Talamo e regioni ad esso connesse
• Mesencefalo: Peduncoli cerebellari, Lamina quadrigemina, Metencefalo, Ponte, Cervelletto, Mielencefalo, Midollo allungato.

Il sistema nervoso centrale (escluso il midollo spinale) deriva quindi dall'ectoderma che, ripiegandosi sul dorso, forma una doccia verso l'interno. Questa in un secondo momento si stacca dal foglietto esterno (deputato alla genesi dell’epidermide) e cresce formando numerose circonvoluzioni fino a formare l’encefalo. Il midollo spinale, invece, crescendo più lentamente rispetto al sistema scheletrico.