Neuroscienze Cognitive

Capitolo 1: Introduzione alle Neuroscienze.

1.1 Le Origini delle Neuroscienze.

 Alcune testimonianze suggeriscono che le prime comprensioni dell’importanza del

cervello per la vita risalgono all’epoca degli ominidi, 7000 anni fa.

Al fine di curare gli individui praticavano dei fori, con un

processo chiamato trapanazione.

I soggetti al momento dell’operazione erano vivi, poiché i

resti archeologici mostrano segni di guarigione delle ossa

craniche.

 Scritti di medici dell’antico Egitto, risalenti a circa 5000 anni fa, indicano come,

all’epoca, si era già a conoscenza dei molti sintomi di un danno cerebrale.

Nonostante è accertato che il cuore, e non il cervello, era considerato come sede di

anima e memoria concezione invariata fino a Ippocrate.

 Ippocrate 460-379 a.C.

Padre della medicina occidentale.

Il cervello è la sede delle sensazioni ma anche dell’intelligenza.

 Aristotele 384-322 a.C.

Il cervello è il radiatore per il sangue che, nel cuore, si è

surriscaldato.

Il temperamento razionale proprio degli uomini era attribuito

all’efficienza di raffreddamento del cervello.

 Galeno 130-200 d.C.

Medico traumatologo dei gladiatori.

Motivo grazie al cui assistette alle conseguenze ù

importanti di lesioni spinali e cerebrali.

Interesse particolare per le dissezioni anatomiche sugli animali.

In particolare il cervello della pecora da cui cercò di

dedurre, attraverso l’individuazione della struttura, le

funzione del cervelletto e dell’encefalo.

Consistenza tenera

Consistenza solida Sede della memoria

Sede del comando muscolare. Ove sono state impresse

le sensazioni.

Le deduzioni di Galeno, come molte negli anni a seguire, non si allontanarono molto dalla

reale realtà dei fatti. L’encefalo si occupa principalmente delle sensazioni, della percezione ed

è sede della memoria, mentre il cervelletto è il centro primario del controllo muscolare dei

movimenti.

La seconda domanda che Galeno si pose, ovvero come potesse il cervello muovere gli arti e

ricevere sensazioni, lo portò a d aprire il cervello, scoprendo che era cavo. In questi spazi cavi,

denominati ventricoli, scorreva un liquido. Questa scoperta condusse Galeno ad appoggiare la

teoria secondo cui il corpo funzionerebbe in accordo ad un bilanciamento dei fluidi vitali.

Le sensazioni erano registrate e i movimenti avviati a partire dallo spostamento degli umori

da/verso i ventricoli cerebrali attraverso i nervi, i quali si riteneva fossero tubi vuoti.

 La visione di Galeno rimase immutata per circa 1500 anni e fu, inoltre, avvalorata da

Andrea Vesalio e da scienziati francesi che, nel XVII secolo, realizzarono congegni

meccanici controllati idraulicamente paragonati che furono paragonati al funzionamento

del cervello.

 Cartesio principale sostenitore della teoria fluido-meccanica.

Credeva che, nonostante la teoria spiegasse il funzionamento degli

arti e del movimento a livello animale nell’uomo, vi era qualcosa

d’altro che rendesse conto a tutte le capacità mentali umane.

MENTE

Entità spirituale che riceveva sensazioni e comandava i

movimenti mediante la ghiandola pineale, mezzo di

comunicazione con il cervello-macchina.

 XVII-XVIII secolo alcuni scienziati si discostarono dalla tradizione di

Galeno i quali, attraverso la sezione del cervello

umano, scoprirono l’esistenza di due sostante

differenti. Sostanza Bianca

Sostanza Grigia Essendo continua con i nervi del

corpo si reputava contenesse le

fibre che convogliavano da/alla

materia grigia.

Alla fine del XVIII secolo, il sistema nervoso era stato

dissezionato completamente e la sua anatomia macroscopica

descritta in dettaglio.

Attraverso questa osservazione si riuscì a

definire che ogni individuo possiede la

stessa distribuzione di protuberanze (giri)

e avvallamenti (solchi/fessure) sulla

superficie dell’encefalo.

Ripartizione del cervello in lobi.

 Concezione del cervello nel XIX secolo:

1. Le lesioni al cervello possono distruggere sensazioni, movimento, pensiero e

possono causare la morte.

2. Il cervello comunica con il corpo attraverso i nervi.

3. Il cervello è costituito da parti facilmente identificabili che, probabilmente,

presiedono a funzioni differenti.

4. Il cervello opera come una macchina in accordo alle leggi di natura.

 Benjamin Franklin 1751, Esperimenti e Osservazioni dell’Elettricità. 1

 Luigi Galvani e Emilio du Bois-Reymond

osservarono come i muscoli possano essere indotti a contrarsi in modo involontario

quando i nervi sono stimolati elettricamente a produrre la scarica è il cervello.

 La possibilità di una comunicazione bidirezionale, che proponeva una risoluzione alla

questione del legame tra impulso muscolare e sensazioni, fu suggerita dall’osservazione

che, quando un nervo si recide, si verifica generalmente la perdita sia della sensibilità

sia della capacità di movimento dell’area danneggiata.

Già allora si sapeva che all’interno di ogni nervo del corpo esistevano enormi filamenti

sottili (fibre nervose).

 Charles Bell e François Magendie verificarono che le fibre nervose, un

(1810) momento prima di entrare nel midollo

spinale, le fibre si dividono in due radici.

Testò in laboratorio la Radice Dorsale porzione posteriore midollo

possibilità che le due radici Radice Ventrale porzione anteriore midollo.

portassero informazioni

differenti, ciò avvenne

attraverso la

sperimentazione animale, Dimostrò che le Radici Dorsali

da cui emerse che la portavano informazioni sensoriali al

recisione di Radici Ventrali midollo spinale.

portava a una paralisi

muscolare.

Attraverso il metodo di “Ablazione Sperimentale” i due scienziati conclusero che:

- All’interno di ogni nervo esiste una mescolanza di molti fili, alcuni

dei quali portavano informazioni al cervello e al midollo spinale,

mentre altri inviavano informazioni verso i muscoli.

- Ogni fibra, sensoriale o motoria, è a trasmissione unidirezionale.

- I due tipi di fibre sono riuniti insieme in un fascio per la maggior parte

loro lunghezza, ma si separano anatomicamente quando entrano, o escono,

dal midollo spinale.

 Jean-Pierre Flourens giunse alla conclusione che il cervelletto fosse coinvolto nella

coordinazione del movimento. Seguendo il metodo di

ablazione sperimentale, il fisiologo giunse alla conclusione,

come Bell e Galeno, che il cervello fosse coinvolto nella

percezione e sensazione ma, a differenza dei suoi

predecessori, supportò solidamente la tesi attraverso la

sperimentazione. 1823.

 Franz Jospeh Gall nel 1809 propose l’influenza della forma del cranio e del

cervello come fondamentale per la propensione per

determinati tipi di comportamento Frenologia.

Tesi assiduamente contestata e criticata da Flourens.

 Paul Broca ribaltò i parametri dell’opinione scientifica grazie a un paziente che,

nonostante fosse in grado di comprendere il linguaggio, non riusciva

a parlare. Alla morte dell’uomo (1861) egli ne esaminò

attentamente il cervello e vi trovò una lesione del lobo frontale

sinistro conclusione regione responsabile del linguaggio

2

 Gustav Fritsch e Eduard Hitzig

Dimostrarono, nel 1870, che l’applicazione di piccole scariche elettriche sulla superficie

esterna del cervello di un cane poteva sollecitare dei singoli movimenti.

 David Ferrier replicò l’esperimento sulle scimmie e individuò che la rimozione

della medesima parte causava una paralisi muscolare.

 Hermann Munk utilizzando l’ablazione sperimentale dimostrò che il lobo occipitale

del cervello era specificatamente necessario per la visione.

 Charles Darwin Origine delle Specie.

 Theodore Schwann enunciò la teoria che, in seguito, verrà chiamata

“Teoria Cellulare”

Tutti i tessuti sono costituiti da unità microscopiche definite Cellule.

3

Capitolo 2: Neuroni e Cellule Gliali.

2.1 Teoria del Neurone:

 Colorante di Nissl dimostrò che una classe di tinte di base poteva colorare i

nuclei delle cellule e del materiale checircondava tali nuclei.

Gruppi di materiale Corpi di Nissl.

Colorante Colorante di Nissl.

Permise di distinguerei Neuroni dalle Cellule Gliali.

Permise agli istologi di studiare la citoarchiettura dei neuroni

in diverse parti del cervello.

 Colorante di Golgi 1873, Camillo Golgi scoprì che, utilizzando una soluzione di

cromato d’argento (Colorante di Golgi) una piccola

percentuale di neuroni diveniva più scura rispetto alla

totalità.

Questa scoperta rivelò che il corpo del neurone rivelata dalla

sostanza di Nissl è solo una piccola parte della struttura totale

del neurone.

I neuroni hanno almeno due parti distinguibili:

1. Regione Centrale che contiene il nucleo, chiamata Corpo

Cellulare, Soma, Pericario.

2. Filamenti che irradiano dalla regione centrale, i Neuriti.

Assoni Dendriti

Il corpo del neurone origina Hanno una lunghezza

ad un singolo assone di media di 2 mm.

diametro unitario per tutta la Si estendono dal soma e,

sua lunghezza. generalmente, si

Si dirama per angolo retto e assottigliano fino a un

si estende per lunghe punto finale.

distanze.

 Santiago Ramon y Cajal utilizzò il colorante di Golgi per poter comprendere i

circuiti cerebrali di molte regioni del cervello.

Attraverso questo studio arrivò a teorizzare, correttamente, che i neuriti dei

differenti neuroni non sono connessi in maniera continua, ma devono comunicare

per contatto e non per continuità.

TEORIA DEL NEURONE. 4

2.2 Il Neurone Prototipico:

 SOMA:

- Parte centrale del neurone di forma sferica.

- 20 nm di diametro.

- Citosol soluzione salina ricca di potassio.

è separata dall’esterno dalla membrana neuronale.

- Organuli Nucleo.

Reticolo Endoplasmatico Ruvido (RER).

Reticolo Endoplasmatico Liscio (REL).

Apparato del Golgi.

Mitocondri.

- Citoplasma tutto ciò che è contenuto all’interno dei confini della membrana

cellulare, compresi gli organuli ma escluso il nucleo.

 Nucleo:

- Sferico, posizionato centralmente.

- 5/10 nm.

- Contenuto in un doppio involucro membrana nucleare perforata da pori di 0,1 nm

- All’interno vi sono i cromosomi (46) contengono a loro volta DNA.

Segmenti Geni.

Sintesi Proteica Lettura del DNA Esoni, Introni.

Avviene nel Citoplasma

 Reticolo Endoplasmatico Rugoso:

- Gruppi racchiusi di membrane cosparsi di dense strutture globulari Ribosomi.

- Presenza molto più numerosa nei neuroni che nella glia e nelle altre cellule.

- Sito della sintesi proteica nei neuroni.

- Non tutti i ribosomi sono attaccati al RER, molti galleggiano liberamente (Ribosomi

Liberi). Molti di essi appaiono attaccati come un filo Poliribosomi.

Il filo consiste in una singola treccia di mRNA e

ribosomi che lavorano alla costruzione di molteplici

copie della stessa proteina.

- La differenza delle proteine sintetizzate nei RER o nei Ribosomi Liberi si identifica nel

destino della molecola proteica.

Se tale molecola è destinata a essere inserita all’interno del citosol, essa è

sintetizzata dai ribosomi liberi.

Se, invece, la molecola è destinata a essere inserita all’interno della membrana

cellulare o in un organulo, essa sarà sintetizzata all’interno del RER.

 Reticolo Endoplasmatico Liscio:

- Gruppi di organuli membranosi che assomigliano al RER ma senza ribosomi.

- Eterogeneo.

- Compie diverse funzioni in diversi siti REL + RER, proteine di membrana

assumo la forma tridimensionale.

Funzione di regolare la concentrazioni

interne di sostanze (esempio Ca).

 Apparato del Golgi:

- Sito di ampia elaborazione chimica.

- Funzione importante è la selezione di quali proteine sono destinate a essere liberate

in diverse parti del neurone, dendriti o assone.

- 5

 Mitocondrio:

- Forma di salsiccia che misura 1 nm.

- Membrana propria che contiene le Creste.

- Spazio interno delle creste Matrice.

- Sede della Respirazione Cellulare:

1. All’atto dell’”inspirazione” il mitocondrio inspira acido piruvico e ossigeno.

2. Nel compartimento interno dell’organulo l’acido piruvico accede a una serie di

complesse reazioni biochimiche nel ciclo di Krebs.

3. I prodotti biochimici di tale ciclo forniscono energia che, nelle creste, aggiunta

all’ADP originano l’ATP.

4. Quando il mitocondrio “espira” per ogni acido piruvico inspirato sono liberate

17 molecole di ATP.

Questa molecola fornisce l’energia necessaria

per molte reazioni biochimiche neuronali.

 Trascrizione e Sintesi Proteica:

1. La lettura del DNA avviene all’interno del nucleo attraverso mRNA, costituito da 4

acidi nucleici legati insieme secondo varie sequenze a formare una catena.

2. Il processo di assemblaggio di un pezzo di mRNA che contiene l’informazione è

chiamata Trascrizione.

3. Ogni gene è costituito da una regione specializzata, situata a una delle sue

estremità, chiamata promotore. Questo è il sito ove l’RNA polimerasi, si lega per

avviare la trascrizione.

Il processo di legame della polimerasi al promotore è strettamente regolato da altre

proteine chiamati “fattori di trascrizione”.

4. Le molecole di mRNA emergono dal nucleo attraverso i proti della membrana e

viaggiano fino al sito della sintesi proteica.

5. Attraverso la traduzione, ovvero la lettura del RNA messaggero nei ribosomi si

assemblano, attraverso l’associazione di aminoacidi, le proteine.

Trascrizione Traduzione

DNA RNA PROTEINA 6

 MEMBRANA NEURONALE:

- Barriera di contenimento del citoplasma.

- Esclude sostanze presenti nel fluido extracellulare.

- Costellata di proteine Creano canali per pompare sostanze dentro/fuori la

cellula nervosa.

Originano pori che regolano quali sostanze possono

averne accesso

- La composizione proteica della membrana varia a seconda che si tratti del soma, dei

dendriti o dell’assone.

- La funzione dei neuroni non può essere compresa se non si capisce la struttura, la

funzione della membrana e l’importanza delle proteine associate.

 Citoscheletro:

- È lo scheletro del neurone e gli permette di avere la sua forma.

- Nonostante sia l’”impalcatura” del neurone, non è una struttura statica, nonostante i

suoi elementi siano regolati dinamicamente e in costante movimento.

- È composto da microtubuli, microfilamenti, neurofilamenti:

 Microtubuli dimensione di 20 nm.

Distribuiti longitudinalmente in direzione dei neuriti.

Sono tubi vuoti formati da grosse pareti costituite da cavi più

piccoli intrecciati come una corda attorno alla cavità centrale.

Polimerizzazione: Ciascuno di questi cavi più piccoli è composta da una

processo di unione di proteina, TUBULINA (piccola e di forma globulare).

proteine che formeranno Una classe di proteine che pertecipa alla regolazione,

un cavo, chiamato all’assemblaggio e al funzionamento dei microtubuli sono le

polimero Proteine Associate ai Microtubuli (MAP), le quali ancorano i

microtubuli tra loro e tra altre parti del neurone.

 Microfilamenti misurano 5 nm, come la membrana cellulare.

Sono presenti in grandi quantità in tutti i neuroni.

Sono costituiti da polimeri di Actina (presente in quasi tutti i

tipi di cellule presenti nel corpo umano).

Costantemente sottoposti a smontaggio/assemblaggio.

Distribuiti longitudinalmente verso il centro dei neuriti.

Strettamente associati alla membrana.

Ancorati ad essa tramite collegamenti costituiti da una rete di proteine

fibrose che ne delineano l’interno.

 Neurofilamenti 10 nm, filamenti intermedi.

Composti da molteplici subunità 3 cavi proteici.

Costituiti da lunghe molecole di proteine, ciascuna delle quali

si attorciglia in una stretta configurazione solidità. 7

 NEURITI: ASSONE.

- Struttura presente solo nei neuroni.

- Si possono estendere sino a 1 m.

- Le ramificazioni si chiamano Assoni Collaterali.

- Quando, occasionalmente, un assone efferente si ramifica e il collaterale torna

indietro per diventare afferente della medesima cellula che lo ha generato, di un

dendrite di essa o di una cellula vicina, questo ramo assonico si chiama Collaterale

Ricorrente.

- Caratteristiche che distinguono l’Assone dal Soma:

1. Non vi sono RER, quindi non vi è nessuna sintesi proteica.

2. La composizione della membrana assonica è differente dalla membrana cellulare

affinché sia possibile, attraverso proteine specializzate, spedire informazioni

attraverso grandi distanze.

 Cono di Integrazione:

- Segmento iniziale dell’assone.

 Terminale dell’Assone:

- Chiamato anche bottone terminale.

- Sito dove l’assone entra in contatto, innerva, la cellula.

- Punto di contatto Sinapsi.

- Quando gli assoni possiedono diverse ramificazioni nelle loro parti finali, e ciascun

ramo forma una sinapsi sui dendriti o sui corpi cellulari nella stessa zona, i rami sono

definiti Arborizzazione Dendritica.

- In alcuni casi gli assoni formano delle sinapsi in regioni rigonfie in tutta la lunghezza

dello stesso bottoni sinaptici.

- Il citoplasma del terminale si differenzia da quello dell’assone:

a. I microtubuli non si estendono nel terminale.

b. Il terminale contiene numerose piccole cavità membranose chiamate

vescicole sinaptiche, 50 nm diametro.

c. La superficie interna che sta difronte alla sinapsi è caratterizzata da una

copertura particolarmente densa di proteine.

d. È caratterizzato da numerosi mitocondri che indicano una particolare

richiesta di energia.

 Sinapsi:

- Parte presinaptica, parte postsinaptica direzione usuale delle informazioni.

- Zona Presinaptica consiste generalmente in un ter