Riassunto esame Psicobiologia, prof. Dadda, libro consigliato Neuroscienze - esplorando il cervello, Bear

Introduzione alla storia della neuroanatomia

Nell’antica Grecia, Ippocrate enunciò la sua convinzione che il cervello non fosse solo coinvolto nella sensazione, ma rappresentasse anche la sede dell’intelligenza. Galeno, nell’Impero Romano, suggerì che l’encefalo dovesse essere il recipiente delle sensazioni e che il cervelletto dovesse controllare i muscoli. La teoria fluido-meccanica di Cartesio proponeva che i fluidi spinti fuori dai nervi sembrassero letteralmente “pompati” e che i meccanismi del cervello controllassero il comportamento umano solo per gli aspetti che lo facevano assomigliare a delle bestie, mentre le capacità mentali risiedevano nella mente.

Scoperte e sviluppi tra il XVII e il XVIII secolo

Durante il XVII e il XVIII secolo si capì che il tessuto cerebrale era diviso in sostanza bianca e sostanza grigia e si reputò correttamente che la sostanza bianca contenesse le fibre che convogliavano alla e dalla materia grigia.

Conoscenze nel XIX secolo

• Le lesioni al cervello possono distruggere sensazioni, movimento, pensiero e possono causare morte.
• Il cervello comunica con il corpo attraverso i nervi.
• Il cervello è diviso in più parti che probabilmente servono a funzioni differenti.
• Il cervello opera come una macchina in accordo con le leggi di natura.

I nervi furono riconosciuti come dei fili che conducevano segnali elettrici al e dal cervello. Si divise il sistema nervoso centrale (cervello, encefalo, cervelletto e tronco encefalico e midollo spinale) dal sistema nervoso periferico (nervi e cellule nervose localizzate fuori dal cervello e dal midollo spinale). All’interno di ogni nervo erano presenti numerosi filamenti sottili o fibre nervose che si separavano anatomicamente (una parte dorsale ed un'altra ventrale al midollo) arrivate al midollo spinale. Muscoli e pelle sono collegati dagli stessi nervi.

Metodi di studio del cervello

Per studiare il cervello è stato usato il metodo di ablazione sperimentale (riduzione sistematica delle regioni del cervello) sugli animali. Uno dei primi sviluppi maggiori si ebbe con Paul Broca, che esaminando il cervello di un suo paziente che aveva disturbi nella produzione del linguaggio, ma non nella comprensione, si accorse (post mortem) che il cervello era leso nel lobo frontale sinistro.

Un contributo fu dato da Charles Darwin: lui credeva che tutte le specie evolvessero da un antenato comune, e la regola valse anche per il sistema nervoso. Questo è il fondamento logico necessario per mettere in relazione agli esseri umani, gli esperimenti sugli animali.

Il neurone

Theodore Schwann propose la teoria cellulare: tutti i tessuti sono costituiti da unità microscopiche chiamate cellule. Il neurone è una cellula nervosa ed è l’unità funzionale fondamentale del sistema nervoso. É un'unità cellulare che costituisce, e ne concorre alla formazione, il sistema nervoso.

Neuroscienze

• Neuroscienza molecolare: studia la comunicazione tra neuroni, l’entrata e l’uscita di sostanze da essi.
• Neuroscienza cellulare: studia come le unità molecolari lavorano insieme per consentire al neurone le sue speciali capacità.
• Neuroscienza dei sistemi: come costellazioni di neuroni formano circuiti che eseguono funzioni semplici (visione, movimento).
• Neuroscienza comportamentale: studia come dal cervello dipendano il comportamento, l’umore, l’effetto delle droghe sul cervello.
• Neuroscienza cognitiva: studia in che modo l’attività del cervello crea la mente (autocoscienza, immagini mentali, linguaggio).

Tipi di ricerca

• Clinica sperimentale: condotta da medici specializzati. Neuroscienziati che hanno una specializzazione o un dottorato di ricerca.

Metodo scientifico

• Osservazione
• Replicazione
• Interpretazione
• Verifica

Patologie del cervello

• Morbo di Alzheimer
• Paralisi cerebrale
• Depressione
• Epilessia
• Sclerosi multipla
• Morbo di Parkinson
• Schizofrenia
• Paralisi
• Infarto cerebrale

Neurofisiologia del cervello

Pressione osmotica: forza che non sconsentendo il passaggio di sostanze più concentrate in zone meno concentrate, fa sì che quelle più concentrate attiveranno più solvente per portare ad uguale concentrazione le due parti. Quindi se liquidi e soluti non hanno la stessa concentrazione, passerà il solvente che diminuisce la pressione. La pressione osmotica avviene in una membrana semipermeabile, come la membrana cellulare.

Molecole cariche elettricamente: le cariche simili tendono ad opporsi, mentre quelle opposte tendono ad avvicinarsi (carica=presenza di elettroni).

Neuroni e cellule gliali

Se si possono studiare i tessuti oggi lo si fa attraverso l’istologia, che si sviluppò fortemente con l’introduzione di tinture che colorano selettivamente alcune parti delle cellule del tessuto cerebrale. Il primo ad usare queste tinte fu Nissl (colorante di Nissl, in grado di distinguere i neuroni dalle cellule gliali e di far capire la disposizione dei neuroni nel cervello). Nel neurone c’è un processo generativo di sostanze che consuma zuccheri (per il metabolismo) e ossigeno (per la respirazione), questi consumi si misurano con le bioimmagini, cioè qualsiasi tipo di immagine generata da un essere vivente (anatomia o fisiologia di parti interne del corpo). Per generare una bioimmagine, si richiede che un’opportuna orma di energia (raggi X, ultrasuoni) interagisca con la struttura da analizzare, generando, come prodotto finale, un’immagine bidimensionale o tridimensionale.

Colorante di Golgi: Golgi, scoprì che impregnando del tessuto cerebrale con una soluzione di cromato d’argento (colorante di Golgi), una piccola percentuale di neuroni diveniva più scura. Si scoprì che quella evidenziata con il colorante di Nissl era solo una piccola frazione. I neuroni hanno due parti ben distinguibili: parte centrale con nucleo chiamata soma, corpo cellulare e una parte con numerosi piccoli tubicini che irradiano da essa chiamati neuriti (dendriti che ricevono l’input e assone che trasporta i messaggi in uscita). Teoria del neurone: I neuriti di diversi neuroni non sono collegati tra loro, perciò il punto di partenza nell’esplorazione del cervello deve essere il singolo neurone.

Il neurone prototipo

Il neurone è separato dall’esterno da una membrana neuronale. Il soma è la parte centrale di un neurone: all’interno c’è un fluido acquoso chiamato citosol e tutti gli organuli che si possono trovare in altre cellule, cioè il citoplasma (di cui non fa parte il nucleo).

Nucleo: É sferico, posizionato centralmente e contenuto nella membrana nucleare. Il nucleo contiene: cromosomi, DNA. Dalla lettura del DNA nascono le proteine (tutte le loro caratteristiche confluiscono ai neuroni). A trasportare l’informazione del DNA, che non esce mai dal nucleo, nel citoplasma, ci pensa l’RNA.

RNA: Trascrizione, maturazione, esportazione dal nucleo al citoplasma. L’RNA messaggero emerge dal nucleo attraverso i pori della sua membrana e viaggia entro il neurone fino al sito dove avviene la sintesi proteica. Traduzione: la proteina è formata da amminoacidi (ne esistono di 20 tipi) dal costruttore RNA.

DNA -> trascrizione -> mRNA -> traduzione -> Proteina

Reticolo endoplasmatico rugoso: non lontano dal nucleo, gruppo racchiuso di dense strutture globulari chiamate ribosomi. Nei neuroni sono presenti in modo notevole, in quanto gli mRNA messaggeri si legano ai ribosomi e questi traducono le istruzioni per assemblare una molecola proteica. Altri ribosomi galleggiano liberamente (ribosomi liberi), la proteina dell’mRNA gravita intorno ad essi se deve restare nel citosol della cellula, altrimenti si attacca al Reticolo Endoplasmatico Rugoso.

Reticolo endoplasmatico liscio e apparato di Golgi: Il reticolo endoplasmatico liscio assomiglia a quello rugoso, ma non contiene ribosomi; è eterogeneo e compie diverse funzioni in diversi siti. L’apparato di Golgi, più lontano dal nucleo, seziona certe proteine che devono essere lasciate in diverse parti del neurone come i dendriti o l’assone. Produce le vescicole (palline di grasso che contengono il neurotrasmettitore).

Mitocondrio: qui c’è la sede della respirazione cellulare e i mitocondri servono per produrre energia.

• Respirazione: inspira acido piruvico e ossigeno.
• L’acido piruvico entra a far parte del ciclo di Krebs e dà origine all’ATP.
• Espira: 17 molecole di ATP per ognuna di acido piruvico vengono liberate.

L’ATP serve per carburare gran parte delle reazioni biochimiche neuronali.

Membrana neuronale: Spessa 5nm e costellata di proteine.

Citoscheletro: Dà forma al neurone e le sue “ossa” sono i microtuboli, i microfilamenti ed i neurofilamenti. I suoi elementi non sono statici ma dinamici.

• Microtuboli: Si distribuiscono longitudinalmente in direzione dei neuriti. Per il loro assemblaggio sono importanti le proteine associate ai microtuboli, implicate nella demenza dell’Alzheimer.
• Microfilamenti: Distribuiti longitudinalmente verso il centro dei neuriti, sono associati con la membrana.
• Neurofilamenti: Tipo cheratina, che quando si lega insieme forma i capelli.

Assone

L’assone comincia con una parte che si chiama cono di integrazione e poiché non vi sono ribosomi, non c’è alcuna sintesi proteica. Tutte le proteine che sono nell’assone provengono dal soma. É centripeto. Si estendono da un millimetro fino a un metro e si ramificano (assoni collaterali). La velocità del segnale elettrico si muove rapidamente e varia a seconda del diametro associno: più è largo più veloce è l’impulso elettrico. Poi c’è il terminale dell’assone o bottone terminale dove l’assone viene a contatto con altri neuroni o altre cellule nella sinapsi. Nel momento in cui c’è la sinapsi, ovvero l’assone innerva un’altra cellula, ciò avviene spesso nei bottoni sinaptici lungo l’assone stesso.

Citoplasma dell’assone e del soma, nell’assone:

• I microtuboli non si estendono nel terminale
• Il terminale contiene le vescicole sinaptiche
• Superficie interna ricca di proteine
• Il terminale assonico è ricco di mitocondri

La sinapsi ha due parti: pre-sinaptica e post-sinaptica e lo spazio che le divide viene chiamato spazio intersinaptico. L'impulso elettrico viene convertito in segnale chimico lungo l’assone e nella fase post-sinaptica viene riconvertito in segnale elettrico. L’informazione è il neurotrasmettitore che è immagazzinato e rilasciato dalle vescicole sinaptiche all’interno del terminale. Le proteine trascinate dal soma si spostano lungo l’assone con il trasporto assoplasmatico, il materiale viene incapsulato nelle vescicole e cammina lungo i microtuboli dell’assone (gambe fornite da una proteina e carburante fornito dall’ATP). La degenerazione degli assoni viene chiamata degenerazione “walleriana”.

Dendriti

I dendriti di un singolo neurone sono chiamati albero dendritico. Nella loro membrana postsinaptica ci sono delle proteine specializzate chiamate recettori, le quali percepiscono il neurotrasmettitore nello spazio intersinaptico. Il citoplasma dei dendriti assomiglia generalmente a quello degli assoni: pieno di elementi di citoscheletro e mitocondri. Sono centripeti.

Tipi di neuroni

• Numero di neuriti: neurone unipolare (singolo dendrite), neurone bipolare, multipolare.
• Classificazione per numero di dendriti: gli alberi dendritici possono variare da un neurone all’altro.
• Classificazione basata su connessioni: l’informazione viene mandata ai neuroni tramite altri che si trovano sulla pelle o sulla retina dell’occhio, questi sono i neuroni sensitivi primari. Altri neuroni comandano i movimenti dei muscoli, i motoneuroni, e i neuroni che fanno sinapsi semplicemente con altri neuroni, sono chiamati interneuroni.
• Classificazione basata sul neurotrasmettitore: ad esempio i motoneuroni che comandano i movimenti volontari, rilasciano acetilcolina.

Le cellule gliali

Le cellule della glia, insieme ai neuroni, costituiscono il sistema nervoso. Il loro colore è bianco, mentre i neuroni sono tipicamente grigi. Sebbene delle glia è subordinato ai neuroni, essi non potrebbero funzionare senza di loro:

• Macroglia:
• Astrociti: Cellule che riempiono lo spazio tra neuroni e influenzano la crescita e la degenerazione del neurite. Il loro ruolo essenziale è quello di regolare il contenuto chimico dello spazio extracellulare. Formano la contiguità tra il tessuto vascolare e neurale.
• Glia produttrice di mielina: Oligodendrocita (SNC) e cellule di Schwann (SNP). Queste cellule forniscono strati di membrana che isolano l’assone. Esse forniscono la mielina che si avvolge a spirale intorno agli assoni nel cervello. Tale guaina mielina (più esternamente c’è il neurolemma) si interrompe periodicamente per un breve spazio (nodo di Ranvier). Mentre l’oligodendrocita ricopre molteplici assoni, le cellule di Schwann solamente uno alla volta. I neuroni del sistema nervoso simpatico (trasmette impulsi elettrici ai muscoli involontari) non presentano in genere la guaina mielinica, mentre altri neuroni mancano del neurolemma (nervo ottico).
• Cellule non neuronali: ad esempio la microglia che funziona come fagocita per rimuovere gli avanzi di neuroni e di glia morti o in via di generazione. In caso di lesioni, produce edemi e reazioni infiammatorie.

La membrana del neurone a riposo

I costituenti chimici

Nella membrana a riposo ci sono tre principali argomenti da conoscere: i fluidi ricchi di sale presenti su entrambe le facce della membrana, la membrana stessa, le proteine che attraversano la membrana e i costituenti chimici che queste possiedono.

Citosol e fluido extracellulare: Il principale fluido presente nei neuroni è l’acqua, la quale contiene degli atomi caricati elettricamente (ioni) che sono responsabili del potenziale di riposo e d’azione.

Acqua: H₂O, ossigeno e idrogeno sono legati insieme covalentemente, cioè condividono degli elettroni, ai quali è più affine l’atomo di ossigeno ed è quindi lì che passeranno più tempo. Di conseguenza gli atomi di ossigeno avranno una carica negativa netta, mentre gli atomi di idrogeno una carica positiva netta. Quindi l’H₂O è una molecola polare tenuta insieme da legami covalenti polari. Questa polarità elettrica rende l’acqua un solvente efficace così le altre molecole tendono a sciogliersi nell’acqua.

Ioni: Gli ioni sono atomi o molecole che hanno una carica elettrica netta, cioè, sono tenuti insieme da attrazione elettrica tra atomi caricati in modo opposto. La carica elettrica è la differenza tra il numero di protoni e il numero di elettroni:

• P-E = 1 —> Ione monovalente
• P-E = 2 —> Ione bivalente

Se la carica elettrica è positiva (+) lo ione viene detto catione, altrimenti se ha la carica elettrica negativa (-) viene detto anione. Per la neurofisiologia, gli ioni importanti sono:

• Na⁺ = Sodio
• K⁺ = Potassio
• Il catione bivalente Ca²⁺ = Calcio
• L’anione monovalente Cl^- = Cloro

La membrana fosfolipidica: Una molecola è detta idrofila se si dissolve nell’acqua, mentre viene detta idrofoba se ha un legame covalente non polare, cioè, tutti gli elettroni sono distribuiti uniformemente nella molecola e nessuna porzione ha una carica elettrica netta.

Il doppio strato fosfolipidico: I fosfolipidi sono i principali blocchi chimici costituenti la membrana cellulare. Come altri lipidi, loro contengono una catena non polare formata da atomi di carbonio legata ad atomi di idrogeno. Pertanto si dice che i fosfolipidi abbiano una testa polare (con fosfati) idrofila e una coda non polare (con idrocarburi) idrofoba.

La membrana neuronale è costituita da un foglietto di fosfolipidi, dello spessore di due molecole. Le teste idrofile sono esposte verso gli ambienti acquosi interno ed esterno, mentre le code idrofobiche sono confinate all’interno una difronte all’altra. Questa disposizione è chiamata doppio strato fosfolipidico, e isola efficacemente il citosol del neurone dal fluido extracellulare.

Le proteine: Il neurone è diverso dagli altri tipi cellulari a causa della distribuzione delle proteine. Ad esempio i potenziali d’azione e di riposo dipendono da particolari proteine che attraversano il doppio strato fosfolipidico e indicano agli ioni la via da seguire. La struttura delle proteine: le proteine possiedono, forma, dimensione caratteristiche chimiche ampiamente differenziate e sono assemblate da 20 amminoacidi e possiedono un atomo centrale di carbonio che é legato covalentemente a quattro differenti gruppi chimici.