Riassunto esame Neuroscienze, prof. Perani, libro consigliato Neuroscienze: Esplorando il cervello, Bear

Neuroscienze

Istologia

Istologia: studio dei tessuti compresi quelli cerebrali. Per studiare le cellule nervose gli scienziati dovettero aspettare lo sviluppo di microscopi adatti, di tecniche chimiche per l’indurimento del tessuto nervoso (con la formaldeide) e per tagliare piccole parti di questo tessuto (microtomo). La neuroistologia deve anche colorare chimicamente i corpi cellulari, il colorante di Nills differenzia neuroni da cellule gliali e studiare la citoarchitettura (architettura delle cellule).

Bisogna aspettare l’intervento di Golgi che nel 1873, usando il colorante di Golgi (argento), individuò la struttura dei neuroni. Il corpo centrale di un neurone (quello con il nucleo) è chiamato corpo cellulare (o soma o pericario) e i “fili” che da esso si irradiano sono identificati come neuriti che si dividono in assoni (uno con diametro uniforme a volte si dirama ad angolo retto serve per mandare le informazioni) e dendriti (numerosi e piccoli fungono da antenne per ricevere le informazioni).

Teoria del neurone

Cajal, istologo spagnolo, affermò per la prima volta e correttamente che i neuriti comunicano per contatto e non per continuità. Questa idea di Cajal viene identificata come teoria del neurone e appunto sostiene, a differenza di Golgi che sosteneva che il cervello era un tessuto reticolare tutto unito, che i neuroni sono in contatto ma non continui, quindi per analizzare il cervello bisogna partire dalla sua struttura più piccola il neurone.

Il neurone è avvolto da membrana neuronale che si sostiene grazie ad un’impalcatura intera. Esiste un campo della biologia definita neurobiologia molecolare che studia i settori del cervello a partire dai geni e la loro espressione.

Soma

Soma: corpo cellulare del neurone. Come le altre cellule ha citosol (molto K⁺) e organelli (complesso organelli+citosol= citoplasma), c’è un’abbondanza di RE rugoso nel soma del neurone (quello con attaccati i ribosomi) perché in seguito analizzeremo che sono le proteine di membrana a capo della capacità di analisi dell’informazione. Alcune proteine di membrana nei neuroni servono per regolare la concentrazione di Ca²⁺ nel citosol.

Ci sono pure i mitocondri all’interno del soma: i mitocondri sono a forma di salsiccia e oltre alla membrana esterna ne possiedono una interna con ripiegature chiamate creste, la zona circondata dalle creste viene chiamata matrice. Il mitocondrio è la sede della respirazione cellulare: acido piruvico+ O₂ = ATP (ADP+P)+ CO₂. Il soma è dotato di membrana nucleare (come quella plasmatica con proteine di trasnmembrana e con pori), la composizione chimica della membrana varia a seconda che si tratti di membrana di soma, dendrite o assone.

Il citoscheletro è presente nel neurone, formato da microtubuli (MAP= proteina che lavora per polimerizzare e depolimerizzare i microtubuli, se subisce modifiche patologiche, viene poi definita tau, la MAP assonale può provocare demenza che accompagna l’Alzheimer), filamenti di actina e neurofilamenti (che nelle altre cellule sono chiamati filamenti intermedi).

Assone

Assone: la parte iniziale dell’assone si chiama cono di integrazione. Ci sono alcune differenze tra il soma e l’assone: nell’assone ci sono pochissimi RE rugosi (non ci sono ribosomi), a volte non esistono proprio e la membrana assonica è diversa da quella somatica. Date queste differenze nell’assone non può esserci sintesi proteica, infatti le proteine assoniche sono sintetizzate nel soma. L’assone è formato da un filo che può essere lungo da 1 mm fino a 1 metro, se si dirama (sempre ad angolo retto) la diramazione prende il nome di assone collaterale. Più il diametro dell’assone è grande più velocemente sarà trasmesso l’impulso elettrico.

La parte finale dell’assone è detta terminale dell’assone o bottone terminale. Questo terminale assonico è un punto di contatto con un’altra cellula e la zona di contatto è chiamata sinapsi. Un assone in prossimità del terminale può avere un’arborizzazione dendritica (ovvero l’assone si ramifica, solo in prossimità del terminale) e ogni ramo ha un suo terminale. Anche nell’assone stesso, nel percorso sino al terminale ci possono essere rigonfiamenti che fungono da sinapsi, questi rigonfiamenti prendono il nome di bottone sinaptico.

Quando un neurone passa l’informazione (tramite scarica elettrica) ad un'altra cellula si dice che innerva (trasmissione sinaptica) la cellula bersaglio. Il citoplasma del terminale è diverso da quello del soma: non ha microtubuli che si estendono, contiene delle cavità membranose dette vescicole sinaptiche (che contengono i neurotrasmettitori che sono il segnale chimico dell’informazione), ha molti mitocondri e la superficie interna della membrana è ricoperta da un denso strato proteico.

Sinapsi

Sinapsi: zona presinaptica e zona postsinaptica (dendrite o soma di un altro neurone). Lo spazio tra queste due zone è detto spazio intersinaptico (o fessura sinaptica). La maggior parte dell’informazione è elettrica poi diventa chimica (rilascio di neurotrasmettitori) e poi torna elettrica. La modificazione della trasmissione sinaptica a livello dei neurotrasmettitori permette processo di memoria e apprendimento, se non funziona causa disturbi mentali e su di essa agiscono droghe.

Trasporto assoplasmatico

Trasporto assoplasmatico: metodo con il quale le proteine vengono trasportate dal soma al terminale (dove non vengono prodotte, infatti se si separa assone dal soma questo muore secondo la degenerazione walleriana). Solitamente le proteine si spostano da 1 mm a 1 metro al giorno. Le sostanze che devono essere trasportate lungo l’assone vengono incapsulate in vescicole che poi “camminano” lungo i microtubuli dell’assone grazie alla chinesina (proteina motrice) legata dall’idrolisi di ATP. Questa proteina è in grado di portare materiale dal soma al terminale secondo un trasporto anterogrado.

Esiste anche il trasporto retrogrado, che probabilmente serve per dare informazioni riguardo i bisogni metabolici del terminale al soma e questo secondo trasporto avviene grazie alla proteina motrice dineina.

Dendrite

Dendrite: tutti i dendriti di un singolo neurone sono chiamati albero dendritico, ogni ramo dell’“albero” è chiamato ramo dendritico. Un ramo dato che riceve l’informazione è ricoperto di sinapsi e la membrana dei dendriti (la zona postsinaptica) è ricca di recettori che captano i neurotrasmettitori. Alcuni neuroni, hanno i dendriti ricoperti di spine dendritiche (che sono delle protuberanze nell’assone) e forse servono ad isolare delle reazioni chimiche che sono innescate da alcune attività sinaptiche e sono ricche di poliribosomi. Il citoplasma dei dendriti è simile a quello degli assoni, con citoscheletro e mitocondri.

I neuroni non sono tutti uguali, si possono raggruppare in famiglie e quelli appartenenti ad una stessa famiglia sono tutti uguali. Si dividono a seconda della quantità di neuriti. Un neurone con un solo neurite viene chiamato unipolare, se ce ne sono due è detto bipolare se ce ne sono 3 o più allora si definirà multipolare. L’albero dendritico viene classificato secondo la forma che conferisce alla cellula (esiste la cellula stellata e quella piramidale) un'altra classificazione dei neuroni dipende se i dendriti hanno o meno delle spine.

• Neuroni sensitivi primari (fanno sinapsi con la superficie sensoriale del corpo, la pelle), i motoneuroni (sinapsi con i muscoli) o interneuroni (sinapsi con altre cellule)
• Neuroni del I tipo del Golgi che attraversano tutto il cervello con l’assone, mentre i neuroni del II tipo del Golgi hanno assoni che percorrono poca distanza oltre il soma
• Neuroni colinergici sono i motoneuroni che come neurotrasmettitore inviano acetilcolina, studi recenti classificano i neuroni in base alla loro chimica.

Cellule gliali

Un'altra componente del cervello importantissima è dato dalle cellule gliali (forse sono importanti per l’analisi dell’informazione) ma per ora sappiamo che supporta l’attività dei neuroni. Le cellule gliali più numerose sono gli astrociti che riempiono lo spazio tra neuroni e sono in grado di influenzare la crescita o la degenerazione del neurite. Il ruolo di queste cellule è regolare il contenuto chimico dello spazio extracellulare (dove sono immersi i neuroni).

Avvolgono le zone sinaptiche permettendo una diffusione localizzata e limitata dei neurotrasmettitori e a volte grazie a delle proteine di membrana ne eliminano alcuni e le membrane di queste cellule hanno recettori che captano i neurotrasmettitori (che quindi invieranno impulso elettrico all’astrocita).

Altri tipi di cellule gliali sono gli oligodendroglia (solo nel SNC e mielinizza più assoni) e le cellule di Schwann (SNP e mielinizza solo un assone) che avvolgono l’assone e formano quindi l’involucro di mielina che avvolge l’assone, questo avvolgimento è detto guaina mielinica che a volte si interrompe formando i nodi di Ranvier.

Ci sono anche altre cellule oltre a quelle nervose e le importanti cellule gliali, per esempio le cellule epandimali che rivestono i ventricoli che sono pieni di fluido e dirigono la migrazione cellulare durante lo sviluppo oppure le microglia che fagocitano neuroni o cellule gliali morti. Oltre al complesso cellulare c’è il sistema vascolare (arterie, vene e capillari).

Canali ionici

L’inizio dei messaggi nervosi è da ricercare in un cambiamento della differenza di potenziale alle due estremità della membrana. Una cellula sensoriale in risposta a stimoli cambia il potenziale di membrana e di seguito il segnale si propaga, il potenziale d’azione. La propagazione del potenziale di membrana è compito dei canali ionici (specifiche proteine integrali di membrana), questi canali ionici esistono in tutte le cellule del corpo ma in quelle nervose sono altamente specializzati e sono di diversi tipi. Modifiche dei canali ionici determina la comparsa di patologie o neuropatologie.

Il canale ionico ha tre proprietà peculiari: permette a ioni di passare, è selettivo nei confronti degli ioni e ha la capacità (importantissima) di aprirsi e chiudersi in risposta a segnali. I canali ionici dei neuroni permettono al flusso di corrente una conduttanza altissima (10⁹ ioni al secondo), che permette la variazione della differenza di potenziale e quindi la diffusione del potenziale d’azione. Questi canali ionici sono selettivi e ognuno permette il passaggio a uno o pochi ioni (il potenziale di membrana della cellula nervosa a riposo è garantito da canali ionici solo per K⁺). Nel potenziale d’azione invece si aprono i canali per Na⁺. I canali sono controllati (apertura/chiusura) da stimoli diversi (uno per canale): canali voltaggio dipendenti (regolati da variazione del potenziale elettrico), canali dipendenti da ligandi (regolati da neurotrasmettitore nel recettore) e canali dipendenti da forze meccaniche (regolati da pressione). Esistono anche canali non regolati che nella cellula a riposo sono sempre aperti (canali passivi).

La membrana plasmatica (tutte pure quella del neurone) è composta da un mix di lipidi e proteine e la matrice sopra la membrana è una serie ulteriore di lipidi. Alcune delle proteine sono transmembrana e tra questi possono esistere i canali ionici. I lipidi di membrana sono idrofobici gli ioni invece idrofilici. La buona interazione con l’acqua è dovuta al fatto che la molecola di acqua ha cariche mal distribuite (O^- e i 2H⁺), i cationi (ioni carichi positivamente) sono attratti da O^-, gli anioni (ioni carichi negativamente) sono attratti da H⁺. Perché uno ione entri nel doppio strato lipidico ha bisogno di molta energia per eliminare le molecole di acqua che lo circondano, dato che la membrana è impermeabile e non permette il passaggio degli ioni, solamente nei passaggi ionici è possibile che questi passino.

Come mai un canale ionico è così selettivo? Bisogna notare che dato che lo ione resta sempre circondato da molecole di acqua, la sua dimensione non è data dalla dimensione effettiva dello ione ma dalla sua grandezza associata alle molecole di acqua (acqua di idratazione) che lo attorniano (piccolo ione, carica localizzata, campo magnetico molto forte, molte molecole di acqua). Solitamente gli ioni più piccoli, quindi, hanno un grande campo magnetico e le dimensioni finali sono maggiori, ioni piccoli in ultima analisi hanno dimensione maggiore degli ioni grandi. Questo spiega come mai ioni grandi (poca acqua) passano a dispetto di ioni piccoli (tanta acqua), ma come mai quando si apre un canale ionico per Na⁺ (ione piccolo quindi grande) non passano pure gli ioni più piccoli?

Probabilmente, secondo Hille, nel canale ionico esiste una strettoia che funge da selettore molecolare, in prossimità di questa strettoia gli ioni si separano dai legami che li legano all’acqua e formano legami deboli con residui di catene amminoacidiche polari (negative dato che Na⁺ è positivo). Questa separazione dalle molecole di acqua forma una reazione sfavorita energeticamente per questo motivo l’energia deve essere rilevata in altro modo (dal legame favorito energeticamente ione-catena aminoacidica). Dopo i legami deboli con le catene laterali lo ione viene sospinto fuori. La selezione con le catene laterali è regolata dall’interazione elettrostatica regolata da Coulomb (distanza tra ione e catena amminoacidica), Na⁺ è uno ione piccolo e quindi si lega molto meglio al sito di legame e quindi ha una bassa variazione di energia libera che non compensa con la perdita dell’acqua dello ione Na⁺. Per esempio a K⁺ che tiene l’acqua legata debolmente basta un sito di legame a basso campo per potersi liberare dall’H₂O. quindi la selettività di un canale ionico è data dalla grandezza di questo e dal campo magnetico in grado di liberare energia.

L’intensità della corrente di un singolo canale ionico veniva calcolato mediante la legge di Ohm (I=V/R) (resistenza), però solitamente di un canale ionico si calcola la conduttanza (opposto della resistenza). I canali ionici sono stati anche studiati attraverso l’esperimento di Patch Clamp (elettrodo a stretto contatto con fibra muscolare di rana e con dentro ioni, in seguito applicando voltaggi si possono registrare conduttanza e la durata del flusso di corrente).

Solitamente il flusso degli ioni attraverso i canali ionici avviene tramite trasporto passivo, ovvero non richiede energia alla cellula perché dipendono da forze elettrostatiche e diffusione. Solamente la selezione degli ione è effettuata dal canale. Il movimento degli ioni è dato dalla flusso di corrente che passa attraverso il canale in risposta ad una forza motrice elettrochimica (che a sua volta è data dalla differenza di potenziale tra i due lati della membrana e dal gradiente di concentrazione). Sostanzialmente esistono due tipi di canali: ohmico, dove il canale è semplice resistenza e dove la conduttanza è lineare alla differenza di potenziale e il canale rettificante dove la conduttanza è migliore solo con alcuni valori di V.

La velocità degli ioni dipende dalla concentrazione degli ioni nella soluzione circostante: con bassa concentrazione il flusso è lento e aumenta all’aumentare della concentrazione, con un’alta concentrazione il flusso è veloce e molto presto raggiunge la saturazione, ovvero il momento nel quale il flusso cessa a causa di una troppo elevata concentrazione.

Questa teoria conferma l’ipotesi che il flusso dipende anche dal legame ione-canale: infatti dipende da questi per la capacità di dissociazione (dovuta alla solidità del legame) tra lo ione e il canale. La costante di dissociazione è la concentrazione di ione nei soluti circostanti che permette un flusso esattamente la metà del flusso massimo. Il flusso a volte può venire bloccato da grosse particelle, ioni o molecole.

Canali ad accesso variabile

Sono canali che possono assumere due o più configurazioni stabili: non è ben chiaro perché avvenga una variazione della configurazione si sa solamente che quando cambia la struttura alcune catene amminoacidiche polari vengono ad esporsi nel lume che cambia conformazioni e grandezza. Per fare questo però è necessaria dell’energia.

I canali ad accesso variabile sono attivati da diversi fattori:

• Da ligandi (molecole substrato attivatrici). Quando il substrato si lega c’è una variazione di energia libera che permette il cambio della configurazione.
• Da fosforilazione o defosforilazione
• Da variazione del potenziale di membrana (canali voltaggio-dipendenti). In questi l’energia è data dal contatto tra il campo elettrico della membrana e la zona polare del canale.
• Meccanici (stiramento o flessione), l’energia è data dal movimento stesso effettuato dal citoscheletro.

Questi fattori permettono al canale tre configurazioni: aperto, chiuso e attivabile, chiuso e non attivabile (stato refrattario). Nei canali a controllo di ligando lo stato refrattario avviene quando c’è un lungo contatto con lo stesso ligando (fenomeno della desensitizzazione) oppure quando una molecola o sostanze occupano il posto del ligando (definitivamente o temporaneamente) oppure quando una sostanza occupa un altro sito di legame che influenza il ligando.

Nei canali voltaggio dipendente lo stato refrattario avviene solitamente dopo ogni apertura e viene anche chiamato inattivazione e può tornare in uso solo quando il potenziale di membrana torna ai valori normali (per quanto riguarda il Na⁺ ci sono speciali enzimi porteolitici che inattivano il canale mentre nel Ca²⁺ è lo stesso ione che ponendosi in un sito di legame all’interno della membrana rende inattivo il canale).