Neuroni e il sistema nervoso

Le neuroscienze

Le neuroscienze servono a capire le azioni individuali e l’insieme delle cellule cerebrali per comprendere il pensiero creativo.

Storia dei neuroni

Brevemente, si potrebbe affermare che i neuroni siano responsabili delle più importanti funzioni del cervello. La loro storia inizia con il microscopio composto, senza il quale i neuroni non potevano essere visti. Tre altre fondamentali scoperte, da parte di istologi, seguirono:

• Colorante di Nissl: in questo modo è possibile avere una stima del numero di neuroni presenti in un’area semplicemente contando il numero di punti colorati col Nissl. Tuttavia con questo metodo si colorano anche le cellule gliali.
• Colorante di Golgi: ha permesso di distinguere le regioni del neurone (soma e i neuriti, suddivisi a loro volta in dendriti ed assoni).
• Colorante di Cajal: utilizzò il colorante di Golgi, ma scoprì che i neuriti comunicano per contatto e non per continuità.

Prototipo di un neurone

Partendo dal fatto che i neuroni possono essere classificati in svariati modi:

• In base al numero totale di neuriti (assoni e dendriti) che si estendono dal soma. Un neurone che ha un singolo neurite viene chiamato unipolare, ma se vi sono due neuriti, la cellula è detta bipolare. Se ve ne sono tre o più, la cellula viene detta multipolare.
• In base agli alberi dendritici, che si suddividono in due ampie classi, cellule stellate e cellule piramidali, o che abbiano spine, spinosi e non spinosi.
• In base alle connessioni, nelle quali l’informazione viene inviata verso il sistema nervoso da neuroni che hanno neuriti sulla superficie sensoriale del corpo umano come la pelle e la retina dell’occhio. Cellule con queste connessioni sono chiamate neuroni sensitivi primari. Altri neuroni hanno assoni che fanno sinapsi con i muscoli e comandano i movimenti; questi sono chiamati motoneuroni. Tuttavia molti neuroni nel sistema nervoso fanno sinapsi solo con altri neuroni: essi sono chiamati interneuroni.
• In base alla lunghezza dell’assone, infatti alcuni neuroni possiedono lunghi assoni che si estendono da una parte del cervello all’altra; queste cellule sono chiamate neuroni di I tipo del Golgi o neuroni di proiezione. Altri neuroni possiedono assoni più corti che non si estendono al di là dei dintorni del corpo cellulare; questi neuroni sono chiamati neuroni di II tipo del Golgi o neuroni a circuito locale.

Il neurone (o cellula nervosa) conta diverse parti: il soma, i dendriti e l’assone. La caratteristica forma dei neuroni è data dal citoscheletro, i cui elementi sono probabilmente in continuo movimento, e che è costituito da:

• Microtubuli che misurano 20 nanometri di diametro, la cui parete è costituita da cavi più piccoli intrecciati come una corda attorno alla cavità centrale. Ciascuno dei cavi più piccoli è composto da una proteina chiamata tubulina.
• Microfilamenti che misurano solo 5 nanometri di diametro e, come i microtubuli, i microfilamenti di actina sono costantemente sottoposti ad assemblaggio e smontaggio e questo processo viene regolato da segnali nel neurone.
• Neurofilamenti dal diametro di 10 nanometri, i cavi sono costituiti da lunghe molecole di proteine, ciascuna delle quali si attorciglia in una stretta configurazione. Questa struttura rende i neurofilamenti molto solidi dal punto di vista meccanico.

Il soma contiene il citosol e un insieme di strutture chiamate collettivamente organuli, di cui fanno parte: il nucleo, il reticolo endoplasmatico rugoso e liscio, apparato del Golgi, i mitocondri e il lisosoma.

Il citoplasma è una soluzione colloidale più o meno liquida e molto mobile, ed è contenuto dalla membrana neuronale che è spessa 5 nanometri ed è costellata di proteine. La struttura e la funzione della membrana e delle proteine associate sono alla base della funzione dei neuroni.

Componenti cellulari

• Il nucleo di un neurone prototipo all’interno contiene i cromosomi, che contengono il DNA, il quale è lo stesso in ogni cellula del nostro corpo, ma ciò che fa la differenza sono i geni. La lettura del DNA è chiamata espressione genica e il prodotto finale è la sintesi delle proteine, che conferisce ai neuroni tutte le caratteristiche, la quale avviene nel citoplasma, ma, siccome il DNA non lascia mai il nucleo, il messaggio genetico è trasportato dall’mRNA. Il processo di assemblaggio di un pezzo di mRNA che contiene l’informazione di un gene viene chiamata trascrizione, e l’mRNA risultante viene chiamato mRNA trascritto.
• Il reticolo endoplasmatico rugoso, nella quale molti ribosomi, responsabili della sintesi delle proteine, sono attaccati o in alternativa galleggiano (ribosomi liberi) o sono attaccati ad un lungo filo (poliribosomi).
• Il reticolo endoplasmatico liscio, il quale compie diverse funzioni in diversi siti. Alcuni RE lisci stanno insieme a RE rugosi e si ritiene che questo sia il sito dove le proteine sporgenti dalla membrana vengono delicatamente avvolte acquistando la struttura tridimensionale. Altri tipi di RE lisci non giocano un ruolo diretto nella strutturazione delle molecole proteiche, ma adempiono alla funzione di regolare le concentrazioni interne di sostanze quali il calcio.
• L’apparato di Golgi, una delle funzioni è quello di selezionare certe proteine che sono destinante a essere liberate in diverse parti del neurone, quali i dendriti e l’assone.
• Il mitocondrio è formato da ripiegature membranose interne chiamate creste e tra queste si trova uno spazio interno denominato matrice. I mitocondri sono la sede della respirazione cellulare e quando un mitocondrio respira, inspira acido piruvico e ossigeno. Questo processo fa parte di una complessa reazione chimica denominata ‘ciclo di Krebs’, che attiva tutti quei passaggi per la creazione dell’ATP.
• I lisosomi hanno un pH acido di 5 ed è così fatto perché ci sono delle proteine molto acide che hanno il compito di “distruggere” eventuali cose che riescono ad entrare, a passare, attraverso la membrana neuronale.

L'assone

L’assone, una struttura che si trova solo nelle cellule neuronali, ha un’estendibilità variabile compresa tra 1 mm fino a 1 m di lunghezza ed è composto dal cono di integrazione e diversi rami chiamati assoni collaterali. Ha un diametro variabile, 1 μm ma circa 25 μm negli esseri umani. Questa variazione nella grandezza dell’assone è importante, infatti, la velocità del segnale elettrico che si muove rapidamente lungo l’assone, ovvero l’impulso nervoso, varia a seconda del diametro assonico. La parte finale viene chiamata terminale dell’assone o bottone terminale (in questo caso il nome riflette il fatto che esso appare come un disco rigonfio). Il terminale è un sito dove l’assone viene in contatto con altri neuroni o altre cellule e passa loro l’informazione. Il punto di contatto è chiamato sinapsi.

Talvolta gli assoni fanno sinapsi lungo l’assone stesso oppure fanno sinapsi altrove. In entrambi i casi, quando un neurone fa sinapsi con un’altra cellula, si dice che innerva quella cellula, o fornisce l’innervazione. Le sinapsi possono essere:

• Asso-dendritiche
• Asso-somatiche
• Asso-assoniche

Ovviamente, ha differenze strutturali importanti con il soma, per esempio: non vi sono ribosomi e dunque non vi è neanche una sintesi proteica. Inoltre, si scoprì che gli assoni non possono sopravvivere quando vengono separati dal corpo cellulare da cui originano. La degenerazione degli assoni che ha luogo quando questi vengono tagliati, che oggi è chiamata degenerazione walleriana. La degenerazione walleriana si verifica perché viene interrotto il normale flusso di materiali dal soma verso la terminazione dell’assone. Questo movimento di materiale verso l’assone viene chiamato trasporto assoplasmatico. Oggi si sa molto sul modo in cui funziona il trasporto assoplasmatico. Il materiale viene incapsulato all’interno delle vescicole e poi “cammina” lungo i microtubuli dell’assone. Le “gambe” vengono fornite da una proteina chiamata chinesina ed il processo è carburato dall’ATP. La chinesina muove solamente il materiale dal soma verso il terminale. Ogni movimento di materiale in questa direzione viene chiamato trasporto anterogrado. Oltre al trasporto anterogrado, esiste anche un meccanismo per il movimento di materiale dal terminale verso il soma. Si pensa che questo processo fornisca segnali al soma riguardo ai cambiamenti nei bisogni metabolici del terminale assonico. Il movimento in questa direzione, dal terminale al soma, viene chiamato trasporto retrogrado. Il meccanismo molecolare è simile al trasporto anterogrado eccetto per le “gambe” che, nel trasporto retrogrado, sono fornite da una diversa proteina chiamata dineina. Sia il meccanismo di trasporto anterogrado che quello retrogrado sono stati utilizzati dai neuroscienziati per tracciare le connessioni nel cervello.

Albero dendritico

I dendriti di un singolo neurone sono chiamati collettivamente albero dendritico; e ciascun ramo dell’albero è chiamato ramo dendritico. Gli alberi dendritici si presentano in un’ampia varietà di forme e grandezze che vengono usate per classificare i differenti gruppi di neuroni. Siccome i dendriti funzionano come le antenne del neurone, sono coperti da migliaia di sinapsi. La membrana dendritica al di sotto della sinapsi (la membrana postsinaptica) possiede parecchie molecole di proteine specializzate chiamate recettori che percepiscono il neurotrasmettitore nello spazio intersinaptico. I dendriti di alcuni neuroni sono ricoperti da alcune strutture specializzate chiamate spine dendritiche che ricevono alcuni tipi di input sinaptico. La struttura delle spine è sensibile al tipo ed alla quantità di attività sinaptica. Nei cervelli di individui con danni cognitivi sono state osservate insolite modificazioni nelle spine. Il citoplasma dei dendriti assomiglia generalmente a quello degli assoni: esso è riempito con elementi del citoscheletro e mitocondri.

La glia

Le cellule della glia, dette anche cellule gliali, sono cellule che, assieme ai neuroni, costituiscono il sistema nervoso. Hanno funzione nutritiva e di sostegno per i neuroni, assicurano l'isolamento dei tessuti nervosi e la protezione da corpi estranei in caso di lesioni. Recenti studi hanno scoperto un loro ruolo attivo nella trasmissione degli impulsi nervosi. La riproduzione delle cellule della glia avviene molto frequentemente per mitosi, contrariamente ai neuroni per cui il fenomeno si presenta raramente.

Esistono molti tipi di cellule gliali:

• Oligodendrociti: fanno parte dell’oligodendroglia, risiedono nel SNC e la loro funzione principale è fornire un sostegno agli assoni e produrre la guaina mielinica, che isola gli assoni gli uni dagli altri. La porzione di assone senza guaina è chiamata nodo di Ranvier, dal nome del suo scopritore. La mielina, costituita all’80% da lipidi ed al 20% da proteine.
• Cellule di Schwann: la loro funzione principale è fornire un sostegno agli assoni e produrre la guaina mielinica, ma del sistema nervoso periferico (SNP).
• Astrociti: sono cellule che riempiono gli spazi tra i neuroni, spazio che misura 20 nm di ampiezza, e sono collocati tra un vaso sanguigno ed il corpo di un neurone. Il ruolo essenziale degli astrociti è quello di regolare il contenuto chimico dello spazio extracellulare, controllare strettamente la concentrazione extracellulare di molteplici sostanze che possono potenzialmente interferire con la corretta funzione neuronale e si ritiene inoltre che gli astrociti trasportino i costituenti per la vita cellulare: aminoacidi, lipidi, proteine, zuccheri, ecc., dal sangue al neurone, essendo così coinvolti nei processi di rifornimento energetico dei neuroni.
• Cellule dell’ependima: forniscono il rivestimento dei ventricoli, pieni di fluido all’interno del cervello; esse, inoltre, giocano un ruolo nel determinare la direzione della migrazione cellulare durante lo sviluppo cerebrale.
• Cellule di microglia: agiscono da fagociti, inglobando e digerendo neuroni morti o danneggiati, ma in più esse svolgono una funzione immunitaria all’interno del cervello, proteggendolo dall’invasione di microorganismi.
• Cellule capsulari o satelliti: sono piccole cellule che delimitano la superficie esterna dei neuroni nei gangli del sistema nervoso periferico ed aiutano a regolare l'ambiente chimico esterno. Si trovano nei gangli spinali della radice dorsale, nei gangli del sistema nervoso autonomo vicini al midollo spinale e nei gangli che sono lontani dal midollo spinale e che si trovano vicini agli organi da essi innervati.

Il potenziale a riposo del neurone

Ciascuno di questi possiede determinate proprietà chimiche che contribuiscono a stabilire il potenziale di riposo, che sono determinate da:

• I fluidi ricchi di sali presenti su entrambe le facce della membrana;
• La stessa membrana neuronale;
• Le proteine di membrana.

Innanzitutto, i responsabili dei potenziali di riposo e di azione sono gli ioni, atomi caricati elettricamente dissolti nell’acqua, ovvero una molecola polare tenuta insieme da legami covalenti polari.

In secondo luogo, la membrana neuronale (come tutte le altre cellule del nostro organismo) è formata da un doppio strato fosfolipidico. I fosfolipidi hanno una “testa” polare (contenente fosfati) che è idrofila ed è esposta verso gli ambienti acquosi esterno ed interno, ed una “coda” non polare (contenente idrati di carbonio) che è idrofoba, confinata all’interno della membrana neuronale.

In terzo luogo, i potenziali d’azione e di riposo dipendono da speciali proteine che sono posizionate nel doppio strato fosfolipidico, per tutto il suo spessore. Queste proteine indicano agli ioni la via da seguire per attraversare la membrana neuronale. Per adempiere alle loro numerose funzioni nel neurone, le diverse proteine possiedono forma, dimensioni e caratteristiche chimiche ampiamente differenziate.

Esistono tipi di proteine che potrebbero restare sospesa nel doppio strato fosfolipidico con la sua porzione idrofobica rivolta all’interno della membrana e le sue estremità idrofiliche esposte all’ambiente acquoso esistente su entrambi i versanti. Nella membrana neuronale, le molecole proteiche formano i canali ionici. La composizione della subunità proteiche varia da un canale all’altro, e questo ne costituisce la selettività ionica. Esistono infatti canali selettivi al potassio, altri selettivi al sodio, altri ancora al calcio, e così via. Un’importante proprietà di molti canali ionici, definita dal diametro del poro e dalla natura dei gruppi R che lo rivestono, è la selettività ionica e la variabilità all’accesso o dipendenza (detti anche canali attivi). I canali con questa proprietà possono aprirsi o chiudersi (cioè dipendere) in base a cambiamenti del macroambiente locale della membrana. I canali ionici del nervo e del muscolo conducono gli ioni a grandissima velocità (100 milioni di ioni al secondo per singolo canale) assicurando un flusso di corrente molto elevato. Questo flusso di corrente determina la rapida variazione del potenziale di membrana necessario per trasmettere il potenziale d’azione. I canali ionici presenti nella membrana sono di due tipi: attivi e passivi.

I canali passivi sono sempre aperti. La loro funzione essenziale è quella di mantenere il potenziale di riposo costante cioè il potenziale elettrico esistente ai capi della membrana in assenza di segnali. Al contrario, i canali attivi hanno la proprietà di aprirsi e di chiudersi in risposta a differenti segnali. Quando la membrana è in condizioni di riposo, i canali ionici attivi sono per la maggior parte chiusi e la loro apertura viene regolata dall'intervento di tre fattori:

• Variazione del potenziale di membrana;
• Interazione con un ligando;
• Deformazione meccanica della membrana neuronale.

Oltre alle proteine intermembrana che formano i canali ionici, ne esistono altre che si uniscono assieme a formare le pompe ioniche. Queste molecole sono in realtà enzimi che usano l’energia rilasciata dall’idrolisi dell’ATP o adenosintrifosfato per trasportare determinati ioni attraverso la membrana.

L’esistenza nella membrana di un canale aperto non significa necessariamente che ci sarà un movimento netto di ioni attraverso la membrana stessa. I movimenti ionici attraverso i canali sono influenzati da due fattori:

1. Diffusione: movimento casuale degli ioni, che dipende dalla temperatura, e che tende a distribuire gli ioni dappertutto nella soluzione, creando un movimento netto di ioni da una regione ad alta concentrazione ad una a bassa concentrazione e, più alta è la temperatura, cioè l’energia termica, più veloce è la diffusione. La conduzione di ioni attraverso la membrana per diffusione, ad ogni modo, necessita: primo che la membrana possieda canali permeabili agli ioni, e secondo che esista un gradiente di concentrazione attraverso la membrana, ovvero la differenza di concentrazione di ioni in due compartimenti separati da una membrana permeabile agli ioni stessi.
2. Elettricità: ovvero usando un campo elettrico.