Neuroscienze Cognitive

Capitolo 1: Introduzione alle neuroscienze

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 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: sede della memoria. Consistenza solida: 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 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 sostanze differenti: Sostanza Bianca e 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:

  • Le lesioni al cervello possono distruggere sensazioni, movimento, pensiero e possono causare la morte.
  • Il cervello comunica con il corpo attraverso i nervi.
  • Il cervello è costituito da parti facilmente identificabili che, probabilmente, presiedono a funzioni differenti.
  • Il cervello opera come una macchina in accordo alle leggi di natura.

• Benjamin Franklin 1751, Esperimenti e Osservazioni dell'Elettricità.

• 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.

• 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 momento prima di entrare nel midollo spinale, si dividono in due radici. Testò in laboratorio la Radice Dorsale, porzione posteriore del midollo. Dimostrò che le radici dorsali portavano informazioni sensoriali al midollo spinale, mentre la recisione di radici ventrali portava a una paralisi muscolare. Attraverso il metodo di "Ablazione Sperimentale" 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 della 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 Joseph 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, concludendo che la regione fosse responsabile del linguaggio.

• 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.

Capitolo 2: Neuroni e cellule gliali

Teoria del neurone

• Colorante di Nissl dimostrò che una classe di tinte di base poteva colorare i nuclei delle cellule e del materiale che circondava tali nuclei. Gruppi di materiale: Corpi di Nissl. Permise di distinguere i neuroni dalle cellule gliali. Permise agli istologi di studiare la citoarchitettura 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 rilevato dalla sostanza di Nissl è solo una piccola parte della struttura totale del neurone. I neuroni hanno almeno due parti distinguibili:

  • Regione Centrale che contiene il nucleo, chiamata Corpo Cellulare, Soma, Pericario.
  • Filamenti che irradiano dalla regione centrale, i Neuriti: Assoni e Dendriti.

  Il corpo del neurone origina un singolo assone di diametro unitario per tutta la sua lunghezza. Si dirama per angolo retto e si estende per lunghe 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.

Il neurone prototipico

• Soma:
  • Parte centrale del neurone di forma sferica.
  • 20 nm di diametro.
  • Citosol soluzione salina ricca di potassio, 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) che 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 concentrazione 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.
• Mitocondrio:
  • Forma di salsiccia che misura 1 nm.
  • Membrana propria che contiene le Creste.
  • Spazio interno delle creste: Matrice.
  • Sede della Respirazione Cellulare:
  • All'atto dell’"inspirazione" il mitocondrio inspira acido piruvico e ossigeno.
  • Nel compartimento interno dell’organulo l’acido piruvico accede a una serie di complesse reazioni biochimiche nel ciclo di Krebs.
  • I prodotti biochimici di tale ciclo forniscono energia che, nelle creste, aggiunta all'ADP originano l'ATP.
  • 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:
  • 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.
  • Il processo di assemblaggio di un pezzo di mRNA che contiene l'informazione è chiamata Trascrizione.
  • 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”.
  • Le molecole di mRNA emergono dal nucleo attraverso i pori della membrana e viaggiano fino al sito della sintesi proteica.
  • Attraverso la traduzione, ovvero la lettura del RNA messaggero nei ribosomi si assemblano, attraverso l'associazione di aminoacidi, le proteine.
• 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 composto da una proteina, TUBULINA (piccola e di forma globulare). Una classe di proteine che pertecipa alla regolazione, all'assemblaggio e al funzionamento dei microtubuli sono le 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.

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:

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

  • I microtubuli non si estendono nel terminale.
  • Il terminale contiene numerose piccole cavità membranose chiamate vescicole sinaptiche, 50 nm diametro.
  • La superficie interna che sta difronte alla sinapsi è caratterizzata da una copertura particolarmente densa di proteine.
  • È caratterizzato da numerosi mitocondri che indicano una particolare richiesta di energia.