Riassunto esame Neurofisiologia, prof. Ipsaro Passione, libro consigliato Il cervello Anatomia e funzione del sistema nervoso centrale, Massimo Matelli

Neurofisiologia

Cellula

Cellule eucariote

Cellule eucariote (animali e vegetali) possiedono un nucleo differenziato, separato dal citoplasma mediante una membrana nucleare. A seconda della presenza o meno dei ribosomi si distingue in:

• Reticolo endoplasmatico rugoso (RER) presenza di ribosomi
• Reticolo endoplasmatico liscio (REL) assenza di ribosomi

Mitocondri

Mitocondri sono organuli dotati di un proprio filamento di DNA.

Mitosi

Mitosi è un processo di divisione cellulare che interessa le cellule somatiche.

Membrane biologiche

Una delle funzioni più importanti delle membrane biologiche è la funzione di barriera dinamica, che regola gli scambi tra l'interno e l'esterno e quindi il passaggio selettivo di soluti. Le proteine carrier sono deputate al trasporto di sostanze attraverso il doppio strato lipidico.

Cellule gliali

Cellule gliali sono meno complesse e svolgono soprattutto funzioni di sostegno per i neuroni.

Oligodendrociti

Oligodendrociti danno origine alla mielina.

Neuroni

Struttura e funzione

I neuroni sono cellule altamente specializzate costituite da un corpo (soma) e da numerosi prolungamenti (dendriti e assone). Queste cellule sono in grado di ricevere informazioni dal mondo esterno o da altri neuroni, elaborarle, trasmetterle ad altri neuroni o a cellule specializzate che consentono il movimento (cellule muscolari).

Sinapsi

Le strutture che consentono il passaggio dell'informazione da un neurone all'altro sono le sinapsi. In generale:

• La zona del neurone deputata a ricevere informazioni (input) è il dendrite.
• La zona del neurone deputata a inviare informazioni (output) è l'assone.

Questi ultimi, inoltre, sono ricoperti da una guaina detta mielinica interrotta in alcuni punti dai cosiddetti nodi di Ranvier, zone lungo l'assone non mielinizzate.

Neuroni motori

Neuroni motori o efferenti (detti anche motoneuroni) emanano impulsi di tipo motorio agli organi della periferia corporea. Gli assoni formano fibre chiamate efferenti, e visceroeffettori.

Composizione di una sinapsi

Una sinapsi è formata da:

• Un bottone terminale (che appartiene all'assone del neurone trasmittente), rappresentano il punto di passaggio dell'informazione dall'assone di un neurone ad un altro neurone. La membrana che circonda il bottone terminale è detta membrana presinaptica.
• Una struttura del neurone ricevente, generalmente un dendrite. Tale membrana sarà detta postsinaptica.
• Uno spazio detto fessura sinaptica. La fessura sinaptica appartiene allo spazio extracellulare. Nella sinapsi l'informazione fluisce dal neurone presinaptico a quello postsinaptico.

Interneuroni

Interneuroni (o neuroni a circuito locale) presentano un assone breve, che termina nei dintorni del corpo cellulare.

Trasmissione e trasporto

Membrane eccitabili

Le membrane eccitabili rappresentano la caratteristica principale dei tessuti eccitabili. In particolare, neuroni e cellule muscolari (lisce e striate) costituiscono i principali tessuti eccitabili del nostro organismo. Le membrane eccitabili sono le membrane plasmatiche che circondano neuroni e cellule muscolari. Per definizione, sono quelle membrane in grado di generare e/o condurre segnali elettrici (PPSE, PPSI, potenziali d'azione).

Canale ionico

Canale ionico è una proteina che attraversa la membrana cellulare e che, congiuntamente con le pompe ioniche, modula il potenziale di membrana. I canali ionici controllano in particolare, in modo generalmente selettivo, il flusso di ioni che entra ed esce dalla cellula secondo il gradiente di concentrazione.

Si conoscono due tipi principali di canali: quelli la cui apertura e chiusura sono legate a variazioni del potenziale di membrana e quelli che sono regolati da un ligando specifico.

I canali ionici sono suddivisi in due grosse famiglie:

• Canali passivi.
• Canali ad accesso variabile responsabili dell'insorgenza di segnali elettrici nelle cellule eccitabili.

Refrattarietà

Refrattarietà è l'incapacità delle cellule eccitabili di rispondere ad un secondo stimolo troppo ravvicinato al precedente.

Canali voltaggio-dipendenti

I canali voltaggio-dipendenti sono responsabili dell'attivazione dei meccanismi che portano alla secrezione di ormoni e neurotrasmettitori.

Potenziale di riposo

I valori di potenziale di riposo (nelle cellule eucariote) sono compresi tra -60 e -70 mV. Generalmente a riposo gli ioni Na⁺, Ca²⁺ e Cl^- sono presenti maggiormente nel compartimento extracellulare.

Potenziali d'azione

L'insorgenza di un potenziale d'azione si verifica quando una serie di eventi elettrotonici si sommano, per cui il potenziale di membrana si discosta dal valore di riposo innescando un potenziale d'azione capace di propagarsi lungo la fibra nervosa. Questo si verifica per una modificazione della conduttanza ionica di membrana, che determina l'apertura dei canali voltaggio-dipendenti di sodio e potassio. Sono depolarizzazioni rapide del potenziale di membrana.

• Depolarizzazione: modificazione del potenziale verso valori più elettropositivi.
• Iperpolarizzazione: modificazione del potenziale verso valori più elettronegativi.
• Ripolarizzazione: tende a ripolarizzare la membrana.

Differenza di potenziale

A cavallo della membrana cellulare è possibile rilevare una differenza di potenziale, misurata in mV (milliVolt). In condizioni di riposo il versante interno della cellula risulta carico negativamente rispetto all'esterno che risulta carico positivamente. In una cellula nervosa la differenza di potenziale è circa -60,-70 mV, valore che si mantiene costante in assenza di stimolazione. Le variazioni rispetto al valore di riposo possono essere: depolarizzazione e iperpolarizzazione.

Proprietà passive di membrana

In particolare la velocità con cui il potenziale d'azione viene condotto dalla zona di innesco dipende dalle proprietà passive dell'assone.

Sinapsi

Sinapsi elettrica

In una sinapsi elettrica il segnale elettrico passa direttamente dal terminale presinaptico alla cellula postsinaptica. Nelle sinapsi elettriche il citoplasma della membrana presinaptica è a stretto contatto con quello della cellula postsinaptica grazie a gap junction, dei canali ionici specializzati che consentono il flusso ionico da una cellula all'altra. L'accoppiamento elettrico attraverso le connessoni permette la rapida ed efficiente propagazione dello stimolo elettrico.

Sinapsi chimica

In una sinapsi chimica, i neurotrasmettitori sono i messaggeri. Il potenziale d'azione determina il rilascio di un neurotrasmettitore, una sostanza chimica immagazzinata in vescicole. Sono le sinapsi più diffuse nel SNC e SNP. Rispetto alle sinapsi elettriche presentano un ritardo nella risposta sinaptica in quanto il neurotrasmettitore, liberato per esocitosi delle vescicole presenti nel terminale postsinaptico a seguito di una depolarizzazione, deve attraversare lo spazio sinaptico e legarsi a recettori presenti sulla membrana dell'elemento postsinaptico.

I neurotrasmettitori liberati dalle terminazioni nervose si legano a recettori, delle proteine specializzate presenti sulla membrana postsinaptica. I recettori si dividono in due grosse famiglie:

• Recettori ionotropici o recettori-canale: formano un canale ionico vero e proprio e il legame con il neurotrasmettitore induce una variazione conformazionale che apre il poro. L'apertura del canale è indotta dalla presenza del ligando che modifica la conduttanza ionica. Sono recettori capaci di innescare un potenziale d'azione.
• Recettori metabotropici

Recettori accoppiati alle proteine G

Le proteine G sono eterotrimeri formati da 3 subunità. La subunità α ha la capacità di idrolizzare GTP.

I recettori accoppiati alle proteine G costituiscono la famiglia recettoriale maggiormente presente nel corpo; sono così definiti in quanto modificano le funzioni cellulari utilizzando proteine leganti i nucleotidi guanilici (PROTEINE G). Il recettore è una proteina di membrana formata da un'unica catena polipeptidica, che attraversa sette volte la membrana. Sono recettori a cui si legano un'ampia varietà di ligandi, come ormoni e neurotrasmettitori.

La liberazione dell'Ach dal neurone presinaptico necessita dell'ingresso di ioni Ca mediante canali voltaggio-dipendenti. Infatti, il processo di depolarizzazione da solo non consente il rilascio del neurotrasmettitore, se non si ha un concomitante aumento della concentrazione di Ca²⁺ intracellulare. Lo ione responsabile del rilascio del neurotrasmettitore è il Ca²⁺.

Neurotrasmettitori

Acido gamma-aminobutirrico (GABA)

Acido gamma-aminobutirrico (GABA) è il neurotrasmettitore inibitorio per eccellenza del SNC. Principale neurotrasmettitore inibitorio nei mammiferi, del sistema nervoso centrale. È il neurotrasmettitore usato dalle sinapsi cortico-striatali e dalle cellule cerebellari di Purkinje. I recettori:

• GABA_A recettore canale ionotropo provoca l'ingresso del cloro all'interno della cellula iperpolarizzandola
• GABA_B (metabotropici)
• GABA_C

Glutammato

Glutammato è un neurotrasmettitore eccitatorio ed un precursore dell'acido gamma-amminobutirrico (GABA). I recettori del glutammato sono:

• AMPA: recettore ionotropo non-NMDA post-sinaptico espressi in tutto il SNC con cinetica di attivazione e inattivazione rapida. Importante per la trasmissione sinaptica eccitatoria rapida del SNC; è coinvolto per informazioni non destinate ad essere ricordate a lungo (memorizzate).
• NMDA: recettore ionotropo postsinaptico bloccato dalla presenza di ioni magnesio; quando la cellula nervosa va incontro a depolarizzazione il blocco viene rimosso, e il poro diventa permeabile al calcio.
• Kainato: tossico

Altri neurotrasmettitori

• Dopamina: stimoli che producono motivazione e ricompensa, stimolano parallelamente il rilascio di dopamina nel nucleus accumbens.
• Noradrenalina (NE): in quanto ormone dello stress, coinvolge parti del cervello dove risiedono i controlli dell'attenzione e delle reazioni. La noradrenalina lega recettori metabotropici legati alle proteine G, i recettori della noradrenalina sono tutti accoppiati a proteine G.
• L'adrenalina o epinefrina, facendo parte delle vie riflesse del sistema simpatico, è coinvolta nella reazione "attacco o fuga".
• La serotonina (5-HT), principalmente coinvolta nella regolazione del tono dell'umore ed è responsabile del controllo del ritmo sonno-veglia.
• La molecola dell'acetilcolina (ACh) ricopre un ruolo importante a livello del sistema muscolo-scheletrico. Rilascia il recettore ionotropo nicotinico e metabotropico muscarinico.

Plasticità

Plasticità strutturale

La plasticità strutturale è la modificazione della struttura del sistema nervoso e dei suoi principali costituenti (in particolare i neuroni: dendriti e assoni).

Plasticità intrinseca

La plasticità intrinseca è la capacità che ha un neurone di modificare alcune proprietà cosiddette intrinseche (i meccanismi di generazione del potenziale d'azione, frequenza di scarica dei potenziali d'azione, soglia di attivazione del potenziale d'azione, ecc.).

Sistema nervoso centrale

Caratteristiche generali

Il sistema nervoso centrale (SNC) è connesso con la periferia, ovvero i recettori sensitivi e i muscoli, da fibre nervose che formano 31 paia di nervi spinali. Come nel SNC, dal tronco emergono 12 paia di nervi cranici. Il cervelletto è la regione del SNC che contiene il maggior numero di neuroni.

Diencefalo

Il diencefalo è suddiviso in due regioni principali:

• Talamo: è una regione di ritrasmissione delle informazioni sensoriali.
• Ipotalamo: regola svariate funzioni fondamentali per omeostasi e riproduzione. Una parte dell'ipotalamo regola i ritmi circadiani.

I due emisferi sono separati dalla scissura centrale e connessi tra loro dal corpo calloso. Le meningi sono tre membrane connettivali: la dura madre, l'aracnoide e la pia madre, che occupano lo spazio compreso tra il cranio e l'encefalo e lo suddividono in tre spazi. Non esistono spazi tra la pia madre e il tessuto nervoso.

Corteccia cerebrale

La corteccia cerebrale è suddivisa in quattro lobi (frontale, parietale, temporale e occipitale). Korbinian Brodmann, neurologo tedesco, classificò per la prima volta le aree cerebrali sulla base delle caratteristiche citoarchitettoniche.

EEG

L'EEG è il mezzo diagnostico per eccellenza in neurologia clinica, utilizzato per la diagnosi di epilessia e morte cerebrale. Il sonno ha una funzione fondamentale per la sopravvivenza. Le teorie che sono state avanzate per spiegare la funzione del sonno sono:

• Conservazione dell'energia.
• Favorisce la plasticità strutturale e funzionale.