Neuroscienze - prof. Sacchetti/Tamietto

Neuroscienze 1° lezione

Come è fatto e come funziona il sistema nervoso

Il nostro cervello svolge molteplici compiti. Il primo compito che svolge è quello di tradurre: alcune componenti del nostro sistema nervoso si occupano di trasformare le informazioni dell’ambiente esterno in codice neurale, cioè in qualche cosa che i neuroni possono comunicare tra loro. Il codice neurale consiste in variazioni di carica elettrica. I neuroni comunicano tra di loro variando la propria attività elettrica. Di ciò si occupano quelli che noi definiamo recettori. Una volta trasformate, queste informazioni vengono elaborate dai nostri neuroni che le associano, le integrano e costruiscono la nostra realtà, il mondo che ci circonda. Quindi i nostri neuroni si occupano di mettere insieme, integrare, associare e, eventualmente, memorizzare queste informazioni così da poter decidere e pianificare altre azioni. La pianificazione di nuove azioni è un'altra fondamentale funzione del nostro sistema nervoso.

Dunque, partiamo dai recettori: abbiamo la trasformazione delle informazioni sensoriali in codice neurale. Dopo di che, in altre zone del cervello, queste informazioni vengono elaborate, in altre vengono messe insieme creando una rappresentazione della realtà, altre zone memorizzano queste informazioni ed infine altre zone ancora servono per pianificare come rispondere all’ambiente in cui ci troviamo. Una volta deciso come agire, questa decisione deve essere inviata ai muscoli così da mettere in atto un determinato comportamento. Il sistema nervoso svolge quindi questi diversi compiti: elaborazione sensoriale, integrazione dell’elaborazione sensoriale, eventuale pianificazione dell’azione e quindi la regolazione della risposta motoria di un determinato comportamento.

Come si sono evolute queste funzioni

Negli invertebrati più semplici non vi è sistema nervoso, e sono perciò in balia degli eventi esterni (es. spugne). Sempre negli invertebrati semplici, a partire dalle meduse, abbiamo la comparsa di cellule nervose. In questi organismi semplici, alcune di queste cellule nervose trasformano le informazioni dell’ambiente esterno, quindi sono in grado, ad esempio, di riconoscere se davanti c’è un predatore o una preda. Sempre nelle meduse c’è una rete di neuroni molto semplice in cui questa informazione riguardante l’ambiente esterno viene acquisita e determina un certo comportamento. Ad esempio, identificata una certa preda, questi neuroni immediatamente comunicano con altre cellule della medusa per farla avvicinare alla preda stessa. Ecco che viene elaborato un comportamento già negli invertebrati più semplici, con la comparsa dei neuroni.

Dalle meduse, dove abbiamo una rete molto semplice di neuroni fra loro collegati, arriviamo agli invertebrati più complessi in cui succede che questi neuroni si mettono insieme e si raggruppano in gangli, che sono appunto insiemi di neuroni. Ecco che compare un'altra caratteristica del nostro encefalo: alcuni neuroni si raggruppano tra loro per svolgere funzioni simili. Da questi gangli esce poi un cordone nervoso che corre in tutto il corpo e serve per regolare gli organi contrattili in questi invertebrati e determinare quindi un certo comportamento. In questi gangli si raggruppa la maggior parte dei recettori che servono per trasformare la realtà esterna. Abbiamo tanti neuroni diversi raggruppati in diversi gangli che svolgono funzioni diverse. Negli insetti abbiamo anche la comparsa di recettori specializzati per il gusto, per l’olfatto, ecc., quindi la capacità di elaborare in modo approfondito un certo stimolo sensoriale.

L’encefalo di tutti i vertebrati ha una struttura comune molto simile: i neuroni si raggruppano nella porzione anteriore a formare quello che chiamiamo propriamente encefalo (cervello) dal quale esce il midollo spinale. Tutte queste strutture sono protette da un sistema osseo, cioè la scatola cranica e la colonna vertebrale. Quindi, partendo da invertebrati molto semplici come le meduse siamo arrivati al nostro encefalo, cioè al cervello dei vertebrati complessi.

Nei mammiferi e specie nei primati, evolutivamente succede che aumentano le dimensioni del cervello proporzionalmente con le dimensioni del corpo. Ma la cosa più importante è che è aumentata la complessità del nostro cervello: i neuroni tendono a connettersi con un numero maggiore di altri neuroni. Non aumenta tanto la dimensione del nostro cervello bensì il numero di contatti tra neuroni. Si sviluppano delle parti del nostro sistema nervoso che svolgono funzioni specifiche e molto complesse. Grazie a questo tipo di evoluzione siamo arrivati alla complessità del funzionamento del nostro sistema nervoso.

Cellule gliali

Il nostro sistema nervoso è formato da due tipi diversi di cellule principalmente: dai neuroni e dalle cellule gliali. Quest’ultime svolgono molteplici compiti. Innanzitutto, svolgono la funzione di sostegno per i neuroni, una sorta di impalcatura. Certe cellule gliali servono per formare la guaina mielinica, alcuni neuroni ne sono avvolti e sono perciò isolati da questa guaina che fa sì che l’impulso nervoso venga condotto più velocemente (aumenta la velocità con cui i neuroni comunicano tra loro). La terza funzione di queste cellule è quella di regolare l’ambiente in cui si trovano i neuroni, ad esempio servono per assorbire o distruggere sostanze di rifiuto (sorta di spazzini del cervello) e liberare ciò che è necessario per la sopravvivenza dei neuroni stessi. Infine, servono per regolare lo sviluppo del nostro sistema nervoso: nell’embrione ci sono cellule gliali che regolano la migrazione, lo spostamento dei neuroni.

Le cellule gliali vengono suddivise in due famiglie:

• La Microglia, cellule gliali piccoline che fondamentalmente servono da spazzini del sistema nervoso per distruggere sostanze di rifiuto dei neuroni;
• La Macroglia, dove abbiamo tre diversi tipi di cellule gliali: gli astrociti (sia SNC che SNP), le cellule di Swann (si trovano solo nel SNP), gli oligodendrociti (si trovano solo nel SNC). Le cellule di Swann e gli oligodendrociti servono per produrre la guaina mielinica. Gli oligodendrociti sono in grado di contattare più neuroni diversi contemporaneamente, le cellule di Swann invece si avvolgono attorno a un unico neurone. Gli astrociti svolgono diversi compiti, servono per regolare l’ambiente in cui si trovano i nostri neuroni ma soprattutto formano la barriera ematoencefalica.

Il nostro sistema nervoso si trova in un ambiente che deve essere il più costante possibile, per permettere ciò abbiamo questa barriera che protegge i neuroni dal sangue regolando la quantità e il tipo di sostanze che passano dal sangue ai neuroni e dai neuroni al sangue. È fondamentale che dal sangue arrivi ossigeno e glucosio, ed è anche fondamentale che altre sostanze presenti nel sangue non alterino la funzione dei neuroni. Questa barriera è formata quindi dagli astrociti e dai capillari stessi uniti tra di loro grazie alle giunzioni serrate che impediscono la fuoriuscita di sostanze dal capillare. La barriera ematoencefalica ha funzione selettiva: fa passare determinate sostanze e ne impedisce il passaggio ad altre. Il nostro cervello deve essere costantemente informato ad esempio su quella che è la concentrazione di un determinato ormone, o di altre sostanze nel nostro corpo. Ci sono quindi delle parti del nostro cervello in cui la barriera ematoencefalica è un po’ meno impermeabile. In queste parti del nostro sistema nervoso, i nostri neuroni vengono a sapere appunto il livello di concentrazione di determinate sostanze presenti nel nostro corpo. Ci sono altre parti del sistema nervoso in cui i neuroni rilasciano delle sostanze nel sangue per regolare gli ormoni presenti nel nostro corpo. Ad esempio, a livello dell’asse ipotalamo-ipofisario la barriera deve essere anche lì meno selettiva perché i neuroni rilasciano nel sangue determinati ormoni (prolattina, ossitocina...).

Il neurone

Nei neuroni possiamo individuare tre diverse zone: una prima parte è formata dai dendriti, dopo di che abbiamo una parte centrale formata dal corpo cellulare (o soma), ed infine da questo esce una propaggine detta assone (che può essere breve o molto lungo) che può essere ricoperto dalla guaina mielinica. Alla fine, questi assoni si ramificano e vengono a prendere contatto con gli altri neuroni, questi punti di contatto si chiamano sinapsi. Per mantenere tutta questa struttura all’interno del neurone abbiamo quello che è chiamato citoscheletro, impalcatura dei neuroni che è formato da microtubuli, microfilamenti, neurofilamenti. Il citoscheletro lo troviamo sia all’interno dei dendriti, che dell’assone che del corpo cellulare. Oltre ad essere l’impalcatura, svolge un'altra funzione fondamentale che è quella di regolare il movimento delle sostanze all’interno del neurone.

Il principio della polarizzazione dinamica indica il fatto che queste tre diverse parti svolgono funzioni diverse che hanno una direzione ben precisa: le informazioni vanno dai dendriti al corpo cellulare all’assone. I dendriti servono per ricevere le informazioni, queste confluiscono a livello del corpo cellulare dove vengono messe insieme e integrate fra di loro. Qualora il neurone decida di rispondere alle informazioni ricevute, quest’ultime escono dal soma, percorrono tutto l’assone che ha come funzione quella di portare le informazioni dal corpo cellulare ad altri neuroni, cioè al di fuori del neurone stesso.

I dendriti

I dendriti sono estremamente ramificati per via del loro compito (ricevere le informazioni). Nei dendriti, proprio per ricevere una quantità sempre maggiore di informazioni, non solo abbiamo un aumento della quantità di ramificazioni, ma vengono emessi dei prolungamenti chiamati spine dendritiche che servono perché a queste spine può arrivare l’assone di un altro neurone formando una sinapsi. Grazie alle spine si aumenta la superficie di contatto tra i neuroni. Le spine dendritiche sono elementi estremamente plastici: possono rimanere per tutta la vita o possono essere eliminate.

Il corpo cellulare

Il corpo cellulare svolge due compiti fondamentali: serve per integrare le informazioni ricevute dai dendriti; la seconda funzione fondamentale è che il corpo cellulare dei neuroni contiene il nucleo e all’interno del nucleo abbiamo il DNA, l’informazione genetica. Partendo dal nucleo abbiamo il passaggio attraverso l’RNA, i ribosomi e la sintesi proteica nel corpo cellulare. Quindi il corpo cellulare regola l’espressione genica e la sintesi proteica. Le proteine sintetizzate nel corpo cellulare devono raggiungere le terminazioni dell’assone. Questo movimento è regolato dal citoscheletro che regola il movimento delle proteine sintetizzate nel soma. Le proteine appena sintetizzate vengono tutte impacchettate all’interno di vescicole che vengono trasportate grazie ad altre proteine presenti sul citoscheletro. Ci sono due tipi di trasporto lungo l’assone con due velocità differenti. Un trasporto che avviene molto lentamente e uno molto rapidamente. Il primo avviene con un millimetro al giorno e serve per inviare lungo l’assone le proteine che formano la struttura del neurone stesso. Il secondo trasporto rapido serve per inviare le proteine alle terminazioni dell’assone in quanto servono per comunicare con gli organi bersaglio del neurone. È un trasporto che va molto rapidamente (40 cm al giorno) ed è bidirezionale a differenza del trasporto lento.

L'assone

Dal corpo cellulare prende origine un unico assone che può essere avvolto dalla guaina mielinica che ne aumenta la velocità di conduzione. La funzione fondamentale dell’assone è condurre il segnale dal corpo cellulare agli organi bersaglio del neurone. La sua funzione è una: condurre i segnali elettrici dal corpo cellulare alle strutture bersaglio (neuroni nella maggior parte dei casi, o muscoli per regolarne la contrazione). L’assone alla fine si ramifica per prendere contatto con i suoi organi bersaglio formando delle sinapsi. Ne abbiamo tra assoni e altri neuroni, e tra assoni e cellule muscolari (sinapsi neuro-muscolari). L’assone conduce le informazioni e può essere molto corto o lungo.

Classificazione dei neuroni

Abbiamo diversi tipi di classificazioni. Una prima classificazione è quella in base al numero di prolungamenti che il nostro neurone emette e troviamo:

• Neuroni unipolari, con un unico prolungamento (li troviamo nelle meduse, negli invertebrati, insomma negli esseri evolutivamente più antichi e semplici);
• Neuroni bipolari, con due propaggini in cui compare la differenza tra dendrite e assone;
• Neuroni pseudo-unipolari, chiamati così in quanto dal corpo cellulare prende origine un’unica propaggine che si biforca a T (per questo chiamati neuroni a T);
• Neuroni multipolari in cui dal corpo cellulare abbiamo un unico assone ma tanti dendriti, tante propaggini.

Un'altra classificazione si basa sulla funzione svolta dai neuroni. Se i neuroni si occupano di trasformare l’informazione sensoriale verranno chiamati neuroni sensoriali/sensitivi; i neuroni che si occupano di regolare la contrazione dei muscoli si chiameranno neuroni motori; i neuroni che non svolgono né l’uno né l’altro compito sono gli interneuroni.

L’ultima classificazione è fatta in base al fatto che il neurone che troviamo in una certa struttura invii il proprio assone al di fuori di questa struttura oppure no. I neuroni il cui assone esce dalla struttura sono chiamati neuroni a proiezione; i neuroni il cui assone non esce dalla struttura in cui si trova sono gli interneuroni.

Neuroscienze 2° lezione

Il neurone e la sua struttura

I neuroni come tutte le altre cellule hanno un nucleo, un citoplasma e una membrana cellulare. Nel caso dei neuroni verrà chiamata membrana neuronale che avvolge tutto quanto il neurone. Questa è fatta da un doppio strato formato da fosfolipidi costituiti da teste polari e code apolari. Come tutte le altre cellule, i neuroni sono formati da glucidi, acidi nucleici, lipidi, proteine e gli elementi principali che li compongono sono idrogeno, ossigeno, carbonio e azoto.

Come passano le sostanze attraverso la membrana neuronale

Il neurone si scambia costantemente delle sostanze che devono passare attraverso la membrana. Il passaggio dipende da due fattori fondamentali. Il primo fattore è la carica elettrica: ci sono sostanze che portano una carica elettrica positiva o negativa, e altre che non la portano e sono neutre, le quali passano più facilmente attraverso la membrana. Ad esempio, il glucosio, che è fondamentale per il metabolismo dei neuroni, è neutro. Altri, come ad esempio il cloruro di sodio, presentano cariche elettriche e fanno fatica a passare attraverso la membrana. Il secondo fattore è la dimensione: tanto più grandi sono le sostanze tanto più difficilmente attraverseranno la membrana. Il glucosio, essendo neutro, potrebbe attraversare la membrana, tuttavia è una molecola molto grossa che non riesce da sola ad attraversarla. Le molecole molto piccole riescono a passare la membrana.

Come fanno quindi il glucosio e altre sostanze grosse o con carica elettrica a passare la membrana? Grazie a proteine trasportatrici. Ci sono delle vere e proprie strutture proteiche che si trovano nella membrana del neurone che consentono il trasporto delle sostanze. Queste proteine attraversano tutta la membrana e legano una certa sostanza. Sono proteine specializzate a legare sostanze e trasportarle all’interno o all’esterno. Queste strutture speciali hanno due caratteristiche importanti: la specificità, sono estremamente specifiche e riconoscono solo la molecola adibita a trasportare (meccanismo chiave-serratura), e la modulazione allosterica, cioè quando la nostra sostanza si lega alla proteina, questa modifica la propria struttura. Ad esempio, il glucosio si lega alla proteina che la riconosce e, in seguito a questo legame, la proteina cambia la sua forma e grazie a ciò la nostra proteina diventa in grado di trasportare quella determinata sostanza.

Queste proteine possono essere di diverso tipo. Un tipo sono quelle dette trasportatori che trasportano dall’interno all’esterno o viceversa le sostanze. L’esempio classico è il trasportatore di glucosio che è presente in tutti i neuroni. Una volta che la molecola di glucosio si lega al trasportatore, quest’ultimo cambia la propria struttura. Quando il glucosio si stacca ed entra nel neurone, ecco che il trasportatore torna alla struttura iniziale pronto per accogliere nuove molecole da trasportare ed iniziare quindi un nuovo ciclo. Ciò non avviene solo per il glucosio ma anche per altre molecole e dall’interno all’esterno per eliminare determinate sostanze.

Oltre a questi trasportatori ci sono altre proteine, dei veri e propri canali, dette appunto proteine canali, che attraversano la membrana però in questo caso formano al loro interno un canale che consente il passaggio di certe sostanze. Questo canale può essere o aperto o chiuso e fa passare sostanze con carica elettrica positiva o negativa. Questi canali sono fatti da proteine che attraversano tutta la membrana e presentano il cosiddetto filtro selettivo. Un filtro selettivo è dato dal fatto che, ad esempio, canali che fanno passare sostanze con carica positiva presentano un filtro con carica negativa in modo da attrarre le cariche positive. Cioè, il filtro è qualcosa che determina il passaggio di certe sostanze e non di altre. Questi canali sono formati da tante proteine che si associano insieme, e può essere presente in conformazione aperta o chiusa. Ci sono canali sensibili a certi stimoli e non ad altri. Ci sono ad esempio canali sensibili a stimoli di natura chimica e quando arriverà una certa sostanza si lega al canale sensibile. Legandosi, ecco che il canale si apre e fa passare una determinata carica elettrica. In questo caso si parla di canali ionici a porta chimica, perché...