Riassunto esame fondamenti anatomo-fisiologici dell'attività psichica, prof. Maravita. libro consigliato Neuroscienze, Bear

Fondamenti anatomofisiologici dell'attività psichica

Capitolo 2

L'istologia

L’istologia è il campo di ricerca venutosi a creare dopo la scoperta di un metodo per “fissare” le “fettine” di tessuti viventi immergendoli nella formaldeide; questa tecnica permetteva di ottenere tessuti molto più sottili così da poter essere meglio osservati al microscopio. La svolta finale nella neuro istologia avvenne con l’introduzione di tinture che colorassero selettivamente alcune parti delle cellule del tessuto cerebrale.

Il colorante di Nissl è molto utile per due ragioni:

• È in grado di distinguere i neuroni dalle cellule gliali
• Permette di studiare la disposizione (o citoarchitettura) dei neuroni in diverse parti del cervello

Lo studio della citoarchitettura ha portato alla comprensione che il cervello è costituito da parecchie regioni specializzate che compiono funzioni differenti.

Il colorante di Golgi

Grazie al colorante di Golgi si riuscirono a distinguere le parti diverse che compongono il neurone: una parte centrale rigonfia che contiene il nucleo della cellula e numerosi piccoli tubicini che si irradiano dalla regione centrale. La parte centrale è stata denominata soma, mentre i tubicini si chiamano neuriti. Questi ultimi si dividono in assoni e dendriti. Generalmente il corpo del neurone dà origine ad un unico assone, esso ha un diametro unitario per tutta la sua lunghezza e, se si dirama, i rami si estendono ad angolo retto. I dendriti invece raramente si estendono per lunghezze superiori ai due millimetri e si assottigliano fino ad un punto finale. Essi si devono comportare come “antenne” che ricevono un segnale di input.

Cajal usò il metodo di colorazione di Golgi per comprendere i circuiti cerebrali di molte regioni del cervello. Golgi e Cajal giunsero a conclusioni totalmente opposte riguardo ai neuroni. Cajal intuì correttamente che i neuriti dei differenti neuroni non sono connessi in maniera continua e devono comunicare per contatto. Questa idea venne ricordata come la Teoria del Neurone.

Il neurone prototipico

L’interno del neurone è separato dall’esterno da una membrana neuronale, la quale è sorretta da un’intricata impalcatura interna, dando alla cellula la sua particolare forma tridimensionale. Il corpo cellulare del neurone prototipico è di circa 20 μm di diametro. Il fluido acquoso interno alla cellula viene chiamato citosol, una soluzione salina ricca di potassio (K), esso contiene diverse strutture chiamate comunemente organuli. Gli organuli più importanti sono:

• Nucleo
• Reticolo endoplasmatico
• Apparato del Golgi
• Mitocondri

Tutto ciò che è contenuto nella membrana, compresi gli organuli, ma escluso il nucleo, è detto citoplasma.

Il nucleo

Il nucleo è sferico, posizionato centralmente alla cellula e misura 5-10 μm. Esso è protetto dalla membrana nucleare, tale membrana è perforata da pori che misurano 0,1 μm di larghezza. All’interno del nucleo ci sono i cromosomi, che contengono il materiale genetico, il DNA (Acido Desossiribonucleico). Ciò che distingue un neurone da una normale cellula epatica sono le specifiche porzioni di DNA che vengono utilizzate per assemblare la cellula. Questi segmenti di DNA sono chiamati geni.

La “lettura” del DNA viene chiamata espressione genica, e il prodotto finale di tale espressione è la sintesi di particolari molecole chiamate proteine. La sintesi proteica si verifica nel citoplasma; siccome il DNA non lascia mai il nucleo la trasmissione dell’informazione per la sintesi proteica è affidata all’RNA messaggero (Acido ribonucleico). Esso è costituito da quattro differenti acidi nucleici legati insieme secondo varie sequenze a formare una catena. Il processo di assemblaggio di un pezzo di RNA che contiene l’informazione di un gene viene chiamata trascrizione, e l’RNA risultante viene chiamato RNA trascritto.

Il reticolo endoplasmatico rugoso

Non lontano dal nucleo incontriamo gruppi racchiusi di membrane cosparsi di dense strutture globulari chiamati ribosomi, che misurano circa 25 nm di diametro. Questi gruppi vengono chiamati reticolo endoplasmatico rugoso. La presenza di RE rugosi nei neuroni è molto alta, più che nella glia o nelle altre cellule non neuronali. Il reticolo endoplasmatico rugoso è il sito di gran parte della sintesi proteica dei neuroni.

Il reticolo endoplasmatico liscio e l'apparato del Golgi

Il reticolo endoplasmatico liscio svolge funzioni differenti in diversi siti. Spesso giocano un ruolo diretto nel sostegno della membrana cellulare. Nel soma il gruppo di dischi di membrane invaginate che giacciono più lontano dal nucleo si chiama apparato del Golgi. La funzione più importante dell’apparato del Golgi è una funzione di trasporto; esso seleziona alcune proteine destinate a venir liberate in diverse parti del neurone.

Il mitocondrio

Queste strutture a forma di salsiccia misurano circa 1 μm di lunghezza. All’interno della loro membrana esterna vi sono molteplici ripiegature membranose chiamate creste, tra le creste si trova uno spazio denominato matrice. Quando un mitocondrio “respira”, inspira acido piruvico e ossigeno che galleggiano nel citosol. Nel compartimento interno del mitocondrio, l’acido piruvico entra a far parte di una serie di complesse reazioni biochimiche chiamate ciclo di Krebs. I prodotti biochimici di questo ciclo forniscono energia che, all’interno delle creste, risulta nell’aggiunta di fosfato all’adenosindifosfato (ADP), dando origine all’adenosintrifosfato (ATP), la moneta corrente di energia cellulare, la sorgente di energia della cellula. L’energia chimica immagazzinata tramite l’ATP viene usata per carburare gran parte delle reazioni biochimiche neuronali.

La membrana neuronale

La membrana neuronale serve quale barriera per contenere il citoplasma all’interno del neurone, e per escludere alcune sostanze che galleggiano nel fluido extracellulare. Tale membrana è spessa circa 5 nm ed è costellata di proteine; alcune di esse hanno la funzione di pompare sostanze dall’interno verso l’esterno. Altre proteine formano dei pori che regolano quali sostanze possono aver accesso al neurone. Un’importante caratteristica dei neuroni è che la composizione proteica varia a seconda che si tratti del soma, dei dendriti, o dell’assone.

Il citoscheletro

Il citoscheletro dà al neurone la sua caratteristica forma. Le “ossa” del citoscheletro sono i microtubuli, i microfilamenti e i neurofilamenti. Gli elementi del citoscheletro sono regolati dinamicamente e sono in costante movimento.

• I microtubuli: I microtubuli misurano 20 nm di diametro e si distribuiscono longitudinalmente in direzione dei neuriti. Un microtubulo appare come un tubo vuoto formato da una grossa parete. La parete è costituita da cavi più piccoli intrecciati come una corda attorno alla cavità centrale. Ciascuno dei cavi più piccoli è composto da una proteina chiamata tubulina. Una singola molecola di tubulina è piccola e di forma globulare; il cavo è formato da proteine di tubulina incollate insieme come un filo di perle grazie ad un processo chiamato polimerizzazione.
• I microfilamenti: I microfilamenti possono essere trovati in ogni parte del neurone e sono particolarmente numerosi. È possibile paragonarli a trecce di cavi sottili, e i cavi sono polimeri della proteina detta actina. Oltre all’essere distribuiti longitudinalmente verso il centro dei neuriti, sono anche strettamente associati con la membrana.
• I neurofilamenti: I neurofilamenti sono di una dimensione intermedia rispetto a microtubuli e microfilamenti. Essi sono presenti in tutte le cellule del corpo con il nome di filamenti intermedi; solo nei neuroni sono chiamati neurofilamenti. I neurofilamenti consistono di molteplici subunità che sono organizzate come una catena di salsicce.

L'assone

L’assone è una struttura che si trova solo nei neuroni ed è altamente specializzata per il trasporto dell’informazione a distanza nel sistema nervoso. Comincia con una parte chiamata cono di integrazione, che rappresenta il segmento iniziale dell’assone. L’assone è distinto dal soma per due caratteristiche principali:

• Nessun reticolo endoplasmatico rugoso si estende nell’assone, e se ve ne sono alcuni, possiamo trovare solamente pochi ribosomi liberi
• La composizione della membrana assonica è fondamentalmente differente dalla membrana somatica

Queste differenze strutturali si traducono in differenze funzionali. Poiché non ci sono ribosomi, nell’assone non avviene alcuna sintesi proteica. Ciò significa che tutte le proteine nell’assone devono originarsi nel soma.

Gli assoni si possono estendere da un millimetro fino ad un metro di lunghezza. Essi spesso si ramificano, e questi rami sono chiamati assoni collaterali. Occasionalmente, un assone efferente si ramificherà e il collaterale tornerà indietro per diventare un afferente della medesima cellula che ha dato origine all’assone; questi rami sono chiamati collaterali ricorrenti, ed hanno una funzione inibitoria. La velocità della trasmissione dipende dal diametro dell’assone; non vi è perdita di segnale lungo tutta la sua lunghezza.

La parte finale dell’assone viene chiamata terminale dell’assone o bottone terminale. Il terminale è un sito dove l’assone viene in contatto con altri neuroni o altre cellule e passa loro l’informazione. Il punto di contatto è chiamato sinapsi. A volte gli assoni hanno parecchie ramificazioni nelle loro parti finali, e ciascun ramo forma una sinapsi sui dendriti o sui corpi cellulari di altre cellule nella stessa zona; questa ramificazione è detta arborizzazione dendritica. Talvolta gli assoni fanno sinapsi in regioni rigonfie lungo l’assone stesso e quindi continuano per fare sinapsi altrove. Tali rigonfiamenti sono chiamati bottoni sinaptici.

Il citoplasma del terminale assonico differisce da quello dell’assone per molte ragioni:

• I microtubuli non si estendono nel terminale
• Il terminale contiene numerose piccole cavità membranose chiamate vescicole sinaptiche che misurano circa 50 nm di diametro
• La superficie interna della membrana che sta di fronte alla sinapsi è caratterizzata da una copertura particolarmente densa di proteine
• Il terminale assonico è caratterizzato da numerosi mitocondri quali indicano una grossa richiesta di energia

La sinapsi è divisa in due parti: la parte presinaptica e quella postsinaptica. La direzione usuale del flusso di informazioni va dal “pre” al “post”. La zona presinaptica consiste generalmente in un terminale assonico, mentre la zona postsinaptica può essere il dendrite o il soma di un altro neurone. Lo spazio tra la membrana presinaptica e quella postsinaptica è chiamato spazio intersinaptico. Il trasferimento dell’informazione presso la sinapsi da un neurone all’altro è chiamato trasmissione sinaptica.

L’informazione nella forma di impulsi elettrici viaggiando giù verso l’assone viene convertita nella parte terminale in un segnale chimico che attraversa lo spazio intersinaptico. Sulla membrana postsinaptica viene riconvertito in un segnale elettrico. Il segnale chimico è chiamato neurotrasmettitore, ed è immagazzinato e rilasciato dalle vescicole sinaptiche all’interno del terminale.

Una caratteristica del citoplasma assonico, compreso il terminale, è l’assenza di ribosomi. Ciò significa che le proteine che essi producono devono essere trasportate nell’assone dal soma. Questo movimento di materiale dal soma all’assone è detto trasporto assoplasmatico. Il trasporto di materiale dal soma verso l’assone è chiamato trasporto anterogrado ed è permesso grazie alla proteina chinesina, mentre tutti i movimenti dall’assone verso il soma sono permessi dalla proteina dineina; essa consente il movimento retrogrado. Se un assone dovesse essere reciso dalla cellula, esso andrebbe incontro ad un processo di degenerazione chiamato degenerazione Walleriana.

I dendriti

I dendriti di un singolo neurone sono chiamati collettivamente albero dendritico; e ciascun ramo dell’albero è chiamato ramo dendritico. I dendriti sono coperti da migliaia di sinapsi; la membrana dendritica al di sotto della sinapsi possiede parecchie proteine specializzate chiamate recettori che percepiscono il neurotrasmettitore nello spazio intersinaptico. I dendriti di alcuni neuroni sono ricoperti da strutture specializzate chiamate spine dendritiche, che ricevono alcuni tipi di input sinaptico. Le spine sembrano piccole protuberanze che sporgono dal dendrite. Il citoplasma dei dendriti assomiglia generalmente a quello degli assoni: esso è riempito con elementi del citoscheletro e mitocondri.

Tipi di neuroni

• Classificazione basata sul numero dei neuriti: Un neurone che ha un singolo neurite viene chiamato unipolare. Se vi sono due neuriti, la cellula è detta bipolare. Se ve ne sono tre o più, la cellula è detta multipolare. La stragrande maggioranza dei neuroni è multipolare.
• Classificazione basata sui dendriti: Gli alberi dendritici possono variare considerevolmente da un tipo di neurone all’altro. La classificazione è spesso unica per una particolare zona del cervello. Per esempio, nella corteccia cerebrale ci sono due ampie classi: le cellule piramidali e le cellule stellate. Un’altra semplice via per classificare è in relazione al fatto che i loro dendriti abbiano spine: ci sono quelli chiamati spinosi e quelli non spinosi.
• Classificazione basata sulle connessioni: L’informazione viene inviata verso il sistema nervoso da neuroni che hanno neuriti sulla superficie sensoriale del corpo umano come la pelle e la retina dell’occhio. Cellule con queste connessioni sono chiamate neuroni sensitivi primari. Altri neuroni hanno assoni che fanno sinapsi con i muscoli e comandano i movimenti; questi sono chiamati motoneuroni. I neuroni che fanno sinapsi solamente con altri neuroni sono detti interneuroni.
• Classificazione basata sulla lunghezza dell’assone: I neuroni che possiedono assoni che attraversano il cervello per tutta la sua lunghezza sono chiamati neuroni del I tipo del Golgi. Altri neuroni possiedono assoni più corti che non si estendono al di là dei dintorni del corpo cellulare, essi sono definiti neuroni di II tipo del Golgi.
• Classificazione basata sul neurotrasmettitore: Neuroni diversi utilizzano diversi tipi di neurotrasmettitore. Ad esempio i motoneuroni che comandano i movimenti volontari rilasciano acetilcolina presso la sinapsi. Per questo motivo queste cellule (neuroni) sono dette colinergiche.

La glia

Basandosi sulle conoscenze attuali, la glia contribuisce principalmente alla funzione cerebrale sostenendo i processi neuronali.

Gli astrociti

Il maggior numero di cellule gliali nel cervello è dato dagli astrociti, queste cellule riempiono lo spazio tra i neuroni. Il ruolo essenziale degli astrociti è quello di regolare il contenuto chimico dello spazio extracellulare. Gli astrociti avvolgono le giunzioni sinaptiche nel cervello, limitando così la diffusione del neurotrasmettitore all’esterno delle sinapsi. Gli astrociti possiedono inoltre particolari proteine atte a rimuovere attivamente molti neurotrasmettitori dallo spazio intersinaptico. Oltre a regolare i neurotrasmettitori, gli astrociti controllano strettamente la concentrazione extracellulare di molteplici sostanze che possono potenzialmente interferire con la corretta funzione neuronale, come per esempio gli ioni potassio (K⁺).

L’oligodendroglia e le cellule di Schwann hanno la funzione di fornire strati di membrana che isolano gli assoni. Questo involucro è chiamato mielina e si avvolge a spirale intorno agli assoni nel cervello. Questo rivestimento è detto guaina mielinica. Tale guaina però si interrompe periodicamente lasciando scoperto l’assone che ha così la possibilità di scambiare molecole con l’ambiente esterno; queste interruzioni della guaina mielinica sono dette nodi di Ranvier.

Capitolo 3

La membrana cellulare

La membrana cellulare divide due ambienti con un composto chimico diverso; i fluidi hanno una concentrazione di ioni diversa tra l’interno e l’esterno.

Il citosol e il fluido extracellulare

L’acqua è il principale costituente sia del citosol che del fluido extracellulare. Nell’acqua sono dissolti degli ioni carichi elettricamente, essi sono i responsabili dei potenziali a riposo e d’azione. Gli ioni di particolare importanza per la neurofisiologia sono i cationi monovalenti sodio (Na⁺) e potassio (K⁺), il catione bivalente calcio (Ca²⁺) e l’anione monovalente cloro (Cl^-).

La membrana fosfolipidica

La membrana neuronale è composta da lipidi che la rendono idrofobica, ciò contribuisce ai potenziali d’azione e di riposo. La membrana neuronale è costituita da un foglietto di fosfolipidi dello spessore di due molecole. Le teste idrofiliche sono esposte verso gli ambienti acquosi interno ed esterno, mentre le code idrofobiche sono rivolte verso l’interno. Questa disposizione è chiamata doppio strato fosfolipidico.

Le proteine

I potenziali d’azione e di riposo dipendono da speciali proteine che attraversano il doppio strato fosfolipidico. Le diverse proteine possiedono forma, dimensioni e caratteristiche chimiche differenti per adempiere alle loro funzioni. Le proteine costituite da una singola catena di aminoacidi vengono anche chiamate polipeptidi. Tutti gli aminoacidi possiedono un atomo centrale...