Neurologia - 2° Anno Scienze Motorie

Neurologia - 2° anno scienze motorie

Neurologia – principi di fisiopatologia

Prof: Sorrentino – Esame orale

Capitolo 0: Introduzione

Il sistema nervoso, detto in modo sintetico, serve ad elaborare informazioni e dare risposte a stimoli ambientali. Queste risposte possono essere di due tipi:

• Di tipo vegetativo/neuroendocrine quando provengono dal sistema neuro-endocrino e sono tutte quelle risposte che possiamo definire come “involontarie” che il nostro corpo fa in determinate situazioni (lo sono ad esempio il rossore di quando si è in imbarazzo o il tremare quando fa freddo per aumentare la temperatura corporea). In pratica quindi, sono tutte quelle risposte incontrollabili/involontarie che il nostro corpo fa per rispondere a un cambiamento dell’ambiente.
• Quelle di tipo motorio invece, sono le uniche risposte possibili (oltre a quelle vegetative ovviamente) in quanto sono anche le uniche utili all’adattamento e quindi alla sopravvivenza. Per risposta motoria non si intende il solo spostamento del corpo nello spazio (anche la postura infatti, per esempio, è una risposta motoria).

Il sistema nervoso esiste per muoverci e non esiste sistema nervoso senza movimento, cioè se non dobbiamo più muoverci il sistema nervoso smette di esistere.

La differenza tra l’uomo e gli animali è che noi possediamo la capacità di astrazione, cioè la capacità di immaginare quello che non c’è (cosa che invece l’animale non può fare in quanto per lui esiste solo la realtà tangibile). Nell’uomo quindi il concetto di ambiente dal quale percepire stimoli si allarga a dismisura, comprendendo anche ciò che materialmente non c’è (basta pensare alla religione che è forse la massima espressione di astrattismo umano).

L’unità morfo-funzionale del sistema nervoso è il neurone.

La neuroscienza è nata ad inizio '900 grazie a Golgi e Cajal. Ogni uomo possiede circa 100 miliardi (10¹¹) di neuroni e molti miliardi in più di sinapsi (ogni neurone infatti fa circa 10^3/4 sinapsi per un totale di 10^14/15 sinapsi complessive). I neuroni comunicano tra loro grazie proprio alle sinapsi.

La parte sensitiva del sistema nervoso è detta afferente e forma appunto il sistema sensitivo; la parte che invece elabora le risposte motorie è detta efferente e forma il sistema motorio.

Capitolo 1: Neuroni e loro particolarità

Le vie nervose funzionano in parallelo, cioè ogni via funziona per informazione dedicata (in pratica su ogni via viene trasportato un tipo ben preciso di informazione). Il sistema nervoso è formato da neuroni e cellule gliali.

Esistono neuroni: unipolari, pseudo-unipolari, bipolari e multipolari (questi ultimi si trovano solamente nel cervelletto e presentano un albero dendritico molto sviluppato).

Una delle particolarità che distinguono i neuroni dalle altre cellule è che questi non si replicano (anche se grazie a recenti studi si è visto che alcuni neuroni, lentamente, si riescono a replicare ma questo non ci interessa), confermando anche la “regola generale” che più le cellule sono specializzate, più queste hanno una bassa capacità replicativa. Altre due particolarità dei neuroni sono la forma e il fatto che sono delle cellule eccitabili.

Ricapitolando: le particolarità dei neuroni sono:

• Replicabilità nulla
• Forma
• Eccitabilità

La forma del neurone non è casuale: questa infatti è fatta appositamente per migliorare e facilitare lo scambio di informazione: un neurone infatti, ha una superficie molto grande e questo ovviamente facilita lo scambio. Questa superficie però è “ottimizzata” grazie alla forma sferica assunta dal neurone: la sfera infatti è la forma con il rapporto superficie-volume più basso in assoluto, pertanto il neurone ha una superficie molto estesa ma un volume tutto sommato basso e questo permette un minor consumo di risorse. Nella superficie totale del neurone ovviamente vanno inseriti anche i suoi prolungamenti. [Quindi ricapitolando: il neurone ha una superficie molto ampia ma a fronte di un basso volume].

È doveroso comunque sottolineare come il sistema nervoso, in termini metabolici, sia quello più esoso di risorse. I materiali dal nucleo del neurone arrivano alla periferia mediante due tipi di trasporto: uno veloce e uno lento.

Per eccitabilità si intende la capacità di una cellula di cambiare il proprio potenziale di membrana e quindi, se questo potenziale raggiunge un valore soglia, si verifica lo “sparo” di un potenziale d’azione (PA).

Per PA si intende quel fenomeno nel corso del quale si inverte il potenziale di membrana per poi farlo tornare al suo valore di riposo alla fine del fenomeno (perché da negativo -65/-70 diventa positivo fino a +35/+40; non è altro che il ciclo “classico” del potenziale d’azione/ciclo di Hodgkin).

Il potenziale di membrana è dato dalla differenza di carica tra esterno e interno della cellula (dentro è negativo mentre fuori è positivo) e ogni cellula mantiene, usando energia, questo potenziale al valore di riposo (senza questo mantenimento infatti questo tenderebbe con il tempo ad azzerarsi).

Capitolo 1.1: Strategie del sistema nervoso

Per rappresentare al meglio la realtà, il nostro sistema nervoso ha elaborato delle strategie (5 in tutto) per funzionare al meglio ed essere quindi più efficace elaborando meglio le informazioni. La prima strategia elaborata è quella della digitalizzazione, cioè l’informazione che viaggia sulle vie nervose è di tipo digitale quindi o c’è o non c’è, in pieno rispetto quindi della legge del tutto-nulla con relativo impulso (in pratica consiste nel fatto che il PA o si verifica o non si verifica senza vie di mezzo, è il classico impulso tutto-nulla). Quindi la prima strategia consiste nel PA come codice digitale.

La seconda strategia è la frequenza di scarica. Ogni segnale infatti ha una sua intensità (altezza della curva), una frequenza appunto (cioè quante volte si verifica in un dato intervallo di tempo, sarebbero i picchi su un grafico) e una fase (cioè la distanza tra due punti del grafico).

La terza strategia è che l’informazione/segnale alle sinapsi diventa di tipo analogico (sarebbe l’opposto di digitale quindi ammette vie di mezzo) per poi tornare di nuovo di tipo digitale nella cellula post-sinaptica (in pratica è il fatto che il segnale arriva nella cellula pre-sinaptica come segnale elettrico, nello spazio tra le due cellule che fanno sinapsi diventa di tipo chimico e poi nella cellula post-sinaptica ritorna ad essere elettrico; in questo caso quindi l’informazione è digitale-analogica-digitale).

Una sinapsi avviene sempre ed esclusivamente tra due cellule eccitabili (quindi o due neuroni o un neurone e una cellula muscolare che è l’altro tipo di cellula eccitabile presente nel corpo). Una sinapsi può essere:

• Eccitatoria, quindi il neurone A eccita il neurone B, cioè il neurone B si avvicina alla soglia per sparare un PA a sua volta (cioè si depolarizza). Precisiamo però che non è sempre detto che una sinapsi eccitatoria corrisponda allo sparo di un PA della cellula post-sinaptica, se questa infatti non arriva alla soglia, nonostante il tipo eccitabile di sinapsi, il segnale si ferma finché non si raggiunge la soglia con un altro impulso (avviene tutto in pochi millisecondi).
• Inibitoria, il neurone A inibisce il neurone B, cioè il neurone B si allontana dalla soglia necessaria allo sparo di un nuovo PA (quindi si iperpolarizza e il potenziale di membrana diventa ancora più negativo).

Siccome un neurone può fare (anzi, in realtà è quasi sempre così) sinapsi con neuroni diversi allo stesso momento (ad esempio due neuroni eccitatori e uno inibitorio), l’effetto che ne viene fuori sul neurone post-sinaptico è la somma di tutti e tre (quindi nel nostro esempio eccitatorio ma leggermente ridotto causa neurone inibitorio).

Le sinapsi possono anche essere:

• Sinapsi ionotropiche, cioè l’effetto che determina il neurone A sul neurone B è un movimento di ioni. È un effetto, e quindi un tipo di sinapsi, molto rapido e termina anche molto rapidamente. Essendo ionotropiche, l’effetto principale si può anche descrivere come un’apertura di canali ionici.
• Sinapsi metabotropiche, cioè l’effetto che determina il neurone A sul neurone B è la produzione di una sostanza legata all’effetto fatto dal neurone A. Le sostanze prodotte sono AMP e inositolo trifosfato. È un tipo di sinapsi molto più lento in quanto devono avvenire cicli delle reazioni per produrre la sostanza ma di conseguenza è anche più stabile. Essendo metabotropiche, l’effetto si può anche descrivere come un avvio di reazioni metaboliche che porta alla formazione di sostanze che poi aprono dei canali ionici.

Stando a recenti studi, queste sinapsi sono coinvolte nella funzione della memoria: quelle metabotropiche infatti, essendo più lente, sarebbero coinvolte nella memoria a lungo termine mentre quelle ionotropiche, data la loro velocità, sarebbero coinvolte nella memoria a breve termine.

Ogni sinapsi, rallenta la corsa del segnale quindi, più sinapsi ci sono, più il tempo di risposta a uno stimolo sarà lungo. Il tempo di percorrenza di una sinapsi generalmente è sempre lo stesso quindi si può calcolare in modo abbastanza rapido, quante sinapsi ci sono in un tratto semplicemente considerando il tempo di risposta.

La quarta strategia è quella che viene definita come organizzazione circuitale, cioè dei neuroni sono organizzati in circuiti. Per definizione, un circuito è “una data organizzazione che dei neuroni prendono”. I circuiti possono essere di vari tipi: convergenti (quindi tanti neuroni convergono in uno solo), divergenti (da uno a tanti), paralleli o alternati (cioè quando si attiva uno, l’altro si deve disattivare e viceversa). Due circuiti paralleli opposti che devono funzionare in modo alternato infatti (tipo quello che regola gli estensori e quello dei flessori), sono messi in collegamento al fine che l’attivazione di uno inibisca l’altro facendo in modo che non funzionino contemporaneamente.

La quinta strategia è quella definita come organizzazione spaziale dei circuiti e consiste nell’organizzazione nello spazio dei vari circuiti. Questa strategia quindi considera un livello molto più anatomico.

Ricapitolando: le cinque strategie del sistema nervoso sono (verranno analizzate nel dettaglio nei capitoli successivi):

• Digitalizzazione
• Frequenza di scarica, cioè quante volte avviene un PA in un dato intervallo di tempo
• Sinapsi
• Organizzazione circuitale
• Organizzazione spaziale dei circuiti

Capitolo 1.2: Vie nervose e loro organizzazione

Le varie vie nervose e i loro annessi centri nervosi (per esempio, nella via piramidale, il midollo spinale è il suo unico centro nervoso) sono organizzate in strati/fette che si sovrappongono l’una sull’altra. Ogni strato funziona sia singolarmente, sia in piena integrazione con i due strati che lo circondano (cioè quello superiore e quello inferiore allo strato considerato). Questa stratificazione è ben visibile nel midollo spinale.

La risposta motoria che si genera, generalmente, è la somma dei segnali periferici più i segnali provenienti dalla corteccia cerebrale. In realtà però, sono proprio le informazioni che provengono dalla corteccia a generare la risposta motoria (cioè il segmento midollare si attiva grazie alle informazioni provenienti dalla corteccia e non dalla periferia) che quindi, in questo caso, viene definita come una risposta volontaria. In caso invece di risposta riflessa, ad attivare il segmento midollare sono le informazioni provenienti dalla periferia.

In una risposta riflessa, lo stimolo proviene dalla periferia, viene elaborato solamente nel midollo spinale e quindi torna indietro all’organo effettore che fa la risposta. È un tipo di risposta quindi meno precisa, elaborata e modulabile.

In una risposta volontaria invece, lo stimolo proviene dalla corteccia, viene elaborato nel midollo e viene poi trasmesso all’organo effettore. Questo tipo di risposta, provenendo dalla corteccia, è nettamente più elaborato, complesso e modulabile in quanto la corteccia è un organo superiore rispetto al midollo (anche anatomicamente).

Capitolo 1.3: Prima strategia - digitalizzazione del segnale

Come detto, la digitalizzazione del segnale è la prima strategia adottata dal sistema nervoso. Questa non determina la distorsione del segnale, cioè questo come parte così arriva a destinazione. Essendo poi un segnale digitale, questo o c’è o non c’è. Quando parliamo di segnale digitalizzato, parliamo ovviamente del potenziale d’azione.

Capitolo 1.4: Membrana plasmatica

La membrana plasmatica di una cellula è formata da un doppio strato di fosfolipidi. I fosfolipidi sono dei lipidi anfipatici formati da una testa polare e da una coda idrofoba. Un fosfolipide è formato da glicerolo che ha attaccati a due dei suoi tre atomi di carbonio (C), due catene idro-carboniose (R e R¹). Al terzo atomo di carbonio invece è attaccato un atomo di fosforo e, a quest’ultimo, si possono legare tre tipi di molecole:

• Serina
• Colina
• Etanolammina

A seconda della molecola legata quindi, avremo tre tipi di fosfolipidi:

• Fosfoatidil-colina
• Fosfoatidil-serina
• Fosfoatidil-etanolammina

Sulla faccia esterna della membrana c’è una maggior concentrazione di fosfoatidil-colina, mentre sulla faccia interna della membrana c’è una maggior concentrazione degli altri due tipi di fosfolipidi. La disposizione “coda contro coda” dei fosfolipidi, permette di creare un compartimento interno alla cellula, cioè si crea un ambiente ben distinto dall’esterno, quindi la membrana serve a creare uno spazio ben definito.

La membrana plasmatica è totalmente impermeabile e quindi, visto che le altre molecole che potrebbero attraversarla sono quasi tutte polari/acquose, non passa praticamente nulla in modo spontaneo. Ovviamente però c’è una comunicazione tra l’interno e l’esterno della cellula e quindi un passaggio di sostanza avviene. Questo passaggio avviene grazie alle proteine di membrana che sono l’altro costituente della membrana. Le proteine di membrana, visto che permettono il passaggio delle sostanze, è logico che hanno caratteristiche diametralmente opposte a quelle dei fosfolipidi. Queste proteine (così come tutte le altre proteine), hanno quattro livelli di struttura:

• Primaria, semplice catena di amminoacidi
• Secondaria, come si organizzano tra loro gli amminoacidi, alfa-elica o beta-foglietto
• Terziaria, come si dispongono le catene amminoacidiche nello spazio
• Quaternaria, cioè una proteina può essere fatta da più sub-unità

Queste proteine di membrana che fanno comunicare con l’esterno sono:

• Proteine canale
• Proteine pompa
• Proteine recettori

Capitolo 1.4.1: Proteine canale

La funzione delle proteine canale (sarebbero i comuni canali) è quella di rendere possibile la comunicazione tra l’interno e l’esterno della cellula. Questo tipo di comunicazione è modulabile, controllabile e precisa (se non fosse così sarebbe inutile in quanto vorrebbe dire che passerebbe tutto senza controllo e senza ordine e quindi verrebbero meno tutte le caratteristiche della membrana).

Il controllo del passaggio delle sostanze è fatto proprio dal tipo di struttura che questa proteina ha: queste infatti, hanno una struttura ad elica che penetra il doppio strato di fosfolipidi. La parte apolare degli amminoacidi che compongo la proteina canale è disposta verso il doppio strato di fosfolipidi mentre la parte polare è rivolta verso la parte interna del canale e quindi si viene a creare un ambiente acquoso all’interno dell’elica, ambiente perfetto per il passaggio di sostanze.

Capitolo 1.4.2: Membrana plasmatica – parte 2

Tra l’interno e l’esterno della membrana plasmatica c’è una differenza di potenziale pari a -65/-70mV: questo valore è detto potenziale di riposo.

Le molecole coinvolte nella determinazione di questo potenziale di riposo (anche se, come vedremo dopo, in realtà a determinare il potenziale non sono solo queste sostanze) sono:

• Sodio, sostanza positiva, più presente all’esterno della cellula (140/150mM) che all’interno di essa (4/5mM)
• Potassio, sostanza positiva, più presente all’interno della cellula (circa 140/150mM) che all’esterno di essa (4/5mM)
• Cloro, sostanza negativa e influisce, seppur minimamente, alla differenza di potenziale tra interno ed esterno

Come si può facilmente osservare, sodio e potassio hanno una concentrazione speculare tra loro. Queste concentrazioni sono mantenute costanti da diversi meccanismi (senza di questi infatti, prima o poi si bilancerebbero causa gradiente).

In realtà però, quello che determina la differenza di carica sono le proteine del citoplasma. Queste proteine citoplasmatiche infatti, quando si dissociano nel citoplasma, rilasciano un gruppo COOH³ negativo e quindi fanno accumulare cariche negative all’interno della cellula. Una proteina, quando si dissocia, può essere negativa o positiva a seconda del pH dell’ambiente nel quale è inserita e a seconda del proprio punto isoelettrico (valore di pH nel quale la proteina è neutra) che è specifico di ogni proteina.