Riassunto esame Neurofisiologia, Prof.ssa S. Incerpi, libro consigliato Principi di neuroscienze, Kandel (3a edizione)

Introduzione alla biodneurofisiologia

Questo elaborato si basa sulle informazioni apprese con la frequenza delle lezioni dell'anno 2015/'16, comprese quelle sull'AD e sulla citofluorometria, integrate e corrette con lo studio autonomo. È stato un lavoro che ha richiesto molto tempo ed impegno quindi, se decidi di utilizzarlo per preparare questa materia, fai attenzione a non rivelarne l'esistenza alla professoressa. Grazie e buono studio.

Introduzione

Le neuroscienze sono le materie che studiano le funzioni complesse, quindi non è solo lo studio di ciò che accade al singolo neurone o anche della cellula gliale. Le cellule nervose sono l'unità fondamentale del sistema nervoso. In questa materia si studiano le relazioni tra cervello, cellula nervosa e comportamenti.

Storia delle neuroscienze

Nell'antico Egitto compare per la prima volta la parola cervello in un papiro che descrive in maniera dettagliata il caso di una persona che aveva avuto un colpo alla testa con una frattura composta al cranio. Lo studio della mente ha sempre affascinato filosofi e medici sin dall'epoca dell'antico Egitto e probabilmente anche prima, ma probabilmente non è stato tramandato in maniera scritta. Si è sempre cercato di capire che cosa fosse la mente, e solo in tempi relativamente recenti è stata collocata nel giusto posto, cioè nel cervello.

Gli antichi greci, tra cui Aristotele, collocavano la mente nel cuore, mentre Ippocrate nel V secolo a.C. ha scritto un testo dove sostiene che gli uomini dovrebbero sapere che soltanto dal cervello derivano i piaceri, le gioie, le risate, i dolori psicologici e fisici e attraverso questo l'uomo riesce a pensare, vedere, vivere e distinguere il brutto dal bello. Ma prosegue dicendo che la pazzia deriva dall'umidità nel cervello impedendo visione e udito.

La frenologia e gli studi successivi

Nel 19esimo secolo viene fatto un abbozzo delle regioni del cervello, che colloca le emozioni nelle varie regioni. La frenologia era uno studio tipico dell'epoca che sosteneva che la capacità di combattere, la spiritualità ecc. erano collocate in aree specifiche del cervello che si espandevano mano a mano che queste funzioni si sviluppano. Quest'allargamento delle aree del cervello si pensava producesse le caratteristiche anatomiche quali i rigonfiamenti che caratterizzano il cranio.

Progressi nelle conoscenze del sistema nervoso

La storia dei principali progressi sulle conoscenze del sistema nervoso nel corso dei secoli e degli anni indica che tutti i sintomi di disfunzione nervosa erano attribuiti al cervello. Galeno in età d.C. affermò che i nervi erano dei condotti nei quali scorreva un fluido secreto dal cervello verso la periferia del corpo. Quindi il cervello era una specie di ghiandola che produceva questo fluido che si diramava. Ovviamente non era una cosa corretta, ma ci si vede dentro l'idea di qualcosa che scorre, oggi sappiamo che i condotti sono i nervi e che, non è un fluido, ma sono i potenziali di azione (PdA) che scorrono dal centro alla periferia. Il pensiero di Galeno ha dominato le conoscenze sul cervello per più di mille anni. Ha avuto una grandissima influenza anche grazie alla stima per i suoi studi.

Anche Cartesio descrisse il cervello come un organo che aveva delle proprietà di tipo meccanicistico indipendente dall'anima. Successivamente esplose lo studio scientifico e le prime conoscenze sono arrivate grazie a Luigi Galvani e Alessandro Volta. Galvani scoprì la natura elettrica dell'attività nervosa e Volta interpretò queste osservazioni.

Esperimenti e scoperte nel campo dell'elettrofisiologia

Galvani studiava l'anatomia dei pesci elettrici e guardando l'anatomia delle rane e dei pesci elettrici gli venne in mente la pila che non è altro che un'alternanza di dischi di feltro tra i quali vi è una soluzione salina. Nel 1781 Galvani effettuò un esperimento utilizzando le cosce di rana. Costruì un circuito metallico con un bastoncino di zinco collegato ad un circuito di rame e mise a contatto una zona della zampa della rana, privata della pelle, con il torace ed ottenne la contrazione. Se c'è il nervo a contatto con la superficie lesa del muscolo si può far contrarre un altro muscolo.

Il più importante esperimento di elettrofisiologia, inizialmente non fu compreso da Galvani. In questo esperimento sono state usate due zampette di rana, ognuna con il suo nervo, e al contatto tra la superficie lesa di uno dei nervi e la superficie intatta del nervo dell'altra zampa, i muscoli si contraggono entrambi. Questo esperimento prova che ci sono sorgenti di energia insite nell'organismo. Questo esperimento fu poi compreso meglio da Matteucci e da Volta. La contrazione si ha solo quando la superficie lesa entra in contatto con la superficie illesa di un altro nervo.

La teoria cellulare e lo sviluppo delle neuroscienze

Si pensava che la teoria cellulare non fosse applicabile al sistema nervoso. Inizialmente gli studi venivano effettuati dai cadaveri, si notava una massa giallastra/biancastra e gli studiosi si convinsero che fosse un sincizio privo di cellule. La teoria cellulare valida per ogni organo e tessuto non poteva esserlo per il sistema nervoso.

L'identificazione delle funzioni cognitive superiori risulta spesso difficile ed il loro studio è stato facilitato a seguito di incidenti su soggetti umani. Un bambino caduto in bicicletta con successivi attacchi epilettici fu operato e gli furono asportati l'amigdala e un pezzo di un lobo. Il soggetto migliorò per l'epilessia ma perse la memoria sia a lungo che a breve termine. L'amigdala e altre zone asportate sono quindi zone deputate alla memoria. In seguito anche altre amnesie furono studiate.

Casi di afasia e sviluppi successivi

Nel 1864 venne riscontrato il caso di una persona in grado di capire il senso del linguaggio ma che aveva perso la capacità di parlare ed era quindi affetto da afasia. Non aveva alterazioni anatomiche particolari all'apparato orale, quindi il problema risiedeva altrove. Riusciva ad esprimersi con parole isolate e a cantare, però non era in grado né di pronunciare né di scrivere frasi di senso compiuto. Alla sua morte venne effettuata un'autopsia al cervello che evidenziò una lesione in una parte del lobo frontale, l'area "noi sinistro". Si concluse che: "noi parliamo con l'emisfero sinistro".

Pochi anni dopo, nel 1876, un altro signore a 26 anni descrisse un altro tipo di afasia caratterizzata da disturbo della comprensione del linguaggio, il paziente parlava ma non capiva il senso di quello che diceva.

Scoperte di Golgi, Cajal e Sherrington

Camillo Golgi inventò successivamente una tecnica fondamentale della neurofisiologia e Ramon y Cajal la interpretò correttamente. Presero il Nobel. Il metodo è quello dell'impregnazione argentica, una tecnica utilizzata ancora oggi. Colora una piccola percentuale di cellule, che vengono colorate nella totalità del loro percorso. Questo ha consentito di vedere che i nervi non erano una massa amorfa ma delle cellule con dei prolungamenti che potevano raggiungere anche più di un metro di lunghezza. Da qui si capì che anche le cellule nervose obbediscono alla teoria cellulare.

Quasi contemporaneamente alla teoria cellulare Sherrington propose il concetto di sinapsi. I neuroni hanno delle vie e formano delle reti, sono quindi in grado di comunicare tra di loro attraverso le sinapsi che sono dei punti di giunzione tra due cellule nervose o tra una cellula nervosa e una cellula non nervosa. Non c'è mai una fusione di membrana ma sono sempre più o meno lassamente ingiustapposizione.

Neurotrasmettitori e l'esperimento di Loewi

Langley e Loewi identificarono delle sostanze chimiche, i neurotrasmettitori, che si ipotizzò agissero su dei recettori localizzati nelle sinapsi. A Loewi si deve la scoperta del primo neurotrasmettitore chimico identificato: l'acetilcolina (ACh). Inizialmente ci fu una diatriba tra l'ipotesi del modulatore di natura chimica e il circuito elettrico di Galvani che data l'epoca aveva preso più piede. Loewi eseguì un esperimento fondamentale: prese il cuore di rana, stimolò il nervo vago e prese il liquido di perfusione. Stimolando il vago il cuore rallenta il proprio battito. Il liquido di perfusione del primo cuore in presenza di un nuovo cuore ne rallentava comunque il battito. C'era quindi una sostanza chimica nella sostanza di perfusione che aveva agito anche sul secondo cuore. Era l'ACh che a livello cardiaco agisce da neuromodulatore di tipo inibitorio.

Progresso delle neuroscienze nel XX secolo

Negli anni successivi si scoprirono nuovi neurotrasmettitori e si studiò meglio l'anatomia. Hebb postulò regole intrinseche per l'apprendimento delle reti neuronali e così nacque la neuroinformatica. Negli anni '50 si svilupparono tecniche di registrazione intracellulare e si misurò l'attività elettrica di membrana. Hodgkin e Huxley dall'università di Napoli fondarono la teoria dell'eccitabilità di membrana. Successivamente Katz e Eccles la estesero alla trasmissione sinaptica. Moruzzi scoprì i meccanismi neurofisiologici del sonno.

Negli anni '70 cominciarono ad essere sviluppate le tecniche di imaging che vennero utilizzate insieme all'elettroencefalogramma per studiare l'attività cerebrale in risposta a processi cognitivi e percettivi. Negli anni '80 Neher e Sachman presero il Nobel per l'introduzione del patch-clamp che consente di studiare sia le proprietà dei singoli canali sia quelle di un piccolo patch di membrana sia i canali che si trovano su tutta la cellula.

Cenni di anatomia

Il sistema nervoso centrale (SNC) è organizzato secondo tre assi principali:

• Rostro-caudale o longitudinale. Rostrale significa verso il naso e caudale verso la coda.
• Dorso-ventrale. Dorsale indica verso la schiena dell'animale e ventrale verso l'addome.
• Medio-laterale. Mediale vuol dire verso la parte mediana del cervello, laterale verso la parte laterale.

Nei mammiferi inferiori l'orientamento dei primi due assi resta invariato dal periodo dello sviluppo fino all'età adulta. Nell'uomo e negli altri primati superiori l'asse longitudinale si flette di circa 110° a livello del tronco dell'encefalo. Per effetto di questa curvatura i termini che indicano la posizione vengono usati in modo diverso a seconda che la regione del SNC dell'adulto sia disposta al di sotto o al di sopra della curvatura. Al di sotto di questa, nel midollo spinale, rostrale vuol dire verso il capo, caudale vuol dire verso il coccige; ventrale significa verso l'addome e dorsale verso la schiena. Al di sopra della curvatura, rostrale indica verso il naso; caudale vuol dire verso la parte posteriore del capo. Il termine superiore spesso viene usato come sinonimo di dorsale ed il termine inferiore come sinonimo di ventrale.

Quando il cervello viene sezionato, in generale le sezioni vengono fatte in uno dei tre piani fondamentali: orizzontale, coronale o sagittale.

Un'importante caratteristica dell'organizzazione dell'SNC è costituita dal fatto che la maggior parte delle vie nervose sono bilaterali e simmetriche e si portano al lato opposto (controlaterale) del cervello o del midollo spinale. Di conseguenza, le attività sensoriali e motorie di un lato del corpo sono mediate dall'emisfero cerebrale del lato opposto. Le vie dei diversi sistemi si incrociano a livelli anatomici differenti. Per esempio, il sistema ascendente per il dolore passa al lato opposto già al livello del midollo spinale, subito dopo il suo ingresso nel SNC. Incroci di questo tipo a livello del tronco dell'encefalo o del midollo spinale vengono detti decussazioni.

Zone ben delimitate del sistema nervoso centrale

Nel sistema nervoso centrale solo sette zone sono ben delimitate:

1. Midollo spinale è distinto in varie porzioni che sono:
   • I. Cervicale
   • II. Toracico
   • III. Lombare
   • IV. Sacrale

Il midollo si trova nella colonna vertebrale ed è la porzione più caudale del SNC. Si estende dalla base cranica alla prima vertebra lombare. Riceve informazioni provenienti da vari organi, come la pelle (recettori tattili, termici e dolorifici) e contiene i motoneuroni che mediano i movimenti volontari e riflessi. Lungo la sua estensione longitudinale il midollo varia per forma e dimensioni a seconda che i nervi motori che da esso fuoriescono innervino gli arti o il tronco. La sostanza grigia, che contiene i somi delle cellule nervose, è disposta centralmente ed è circondata da sostanza bianca. Nella sostanza grigia si distinguono un corno dorsale ed un corno ventrale. Nel corno dorsale si trovano, disposti in modo topograficamente organizzato, i neuroni di ritrasmissione sensitiva, che ricevono le afferenze dalla periferia, mentre nel corno ventrale si trovano i motoneuroni, che innervano i muscoli scheletrici. I nervi periferici si formano in seguito alla fusione delle radici dorsali e ventrali del midollo spinale. Le prime trasmettono tutte le informazioni provenienti da cute, muscoli e visceri, mentre le seconde contengono gli assoni motori che innervano i muscoli.

2. Bulbo: rostralmente al midollo spinale in sezione cervicale si trova l'estensione più rostrale del midollo spinale, a cui somiglia dal punto di vista anatomico. È importante nella regolazione della pressione sanguigna e nella respirazione.
3. Ponte: si trova rostralmente al bulbo e contiene dei neuroni che ritrasmettono informazioni di natura motoria e sensoriale dagli emisferi cerebrali superiori al cervelletto. La sua parte dorsale contiene formazioni implicate nella respirazione, nel gusto e nel sonno.
4. Mesencefalo: è disposto rostralmente al ponte. I neuroni del mesencefalo stabiliscono importanti connessioni fra componenti dei sistemi motori quali, in particolare, il cervelletto, i nuclei della base, e gli emisferi cerebrali. Presiede al controllo dei movimenti oculari. Inoltre, contiene dei nuclei che ritrasmettono per il sistema visivo e uditivo.

Insieme, queste ultime tre regioni costituiscono il tronco dell'encefalo. Esso è la continuazione in senso rostrale, del midollo spinale e contiene gruppi distinti di cellule nervose che fanno parte di numerosi sistemi sensoriali e motori. Le afferenze sensoriali sono convogliate da 12 paia di nervi cranici, che dal punto di vista funzionale sono analoghi ai 31 nervi spinali. Mentre il midollo spinale media le sensazioni di controllo motorio del tronco e degli arti, il tronco dell'encefalo è implicato nell'analisi delle sensazioni del capo, del collo e della faccia e nel controllo motorio di queste regioni. Una rete di neuroni relativamente diffusa, situata nella parte centrale del tronco dell'encefalo, denominata formazione reticolare, riceve una sorta di sommario della maggior parte delle informazioni sensoriali che raggiungono il midollo spinale ed il tronco dell'encefalo ed ha un importante ruolo funzionale nella regolazione del livello di vigilanza (arousal) dell'organismo.

5. Cervelletto: è disposto dorsalmente al ponte. La superficie, o corteccia, del cervelletto viene suddivisa in lobi sulla base della presenza di particolari fissure. È un'importante stazione di relè motoria, è importante nel mantenimento della postura, per la coordinazione dei movimenti del capo e degli occhi ed è implicato nell'apprendimento delle attività motorie. Recenti studi hanno inoltre dimostrato che nell'uomo è implicato nel linguaggio ed in altre funzioni cognitive.
6. Diencefalo o cervello intermedio: rappresentato da talamo e ipotalamo. Il talamo elabora le informazioni provenienti dagli organi di senso (eccezion fatta per l'olfatto) e determina se queste informazioni sensoriali debbano raggiungere il livello di coscienza a livello del neocortex. Inoltre, prende parte ai processi di integrazione delle informazioni motorie provenienti dal cervelletto e dai nuclei della base e ritrasmette queste informazioni alle regioni degli emisferi cerebrali implicate nel movimento, infine contiene regioni che influenzano i livelli di attenzione e di coscienza. L'ipotalamo è disposto ventralmente rispetto al talamo, ha una funzione di controllo sul SNA (autonomo) e possiede neuroni con una funzione di controllo degli ormoni prodotti dall'ipofisi. Inoltre, una parte dell'ipotalamo, il nucleo soprachiasmatico, regola i ritmi circadiani.
7. Emisferi cerebrali: rappresentano la zona più ampia del SNC, comprendono la corteccia celebrale e la parte sottostante costituita dai nuclei della base, ippocampo e amigdala. Il metencefalo è il cervello meno evoluto, come amigdala, corteccia entorinale, varie porzioni che rappresentano la parte meno evoluta nel SNC. È una zona in comune con molti altri vertebrati. Si trova rostralmente al mesencefalo. I nuclei della base fanno parte dell'SNC e sono 4-5 piccole formazioni con nomi latini, importanti per il buon coordinamento del sistema motorio. Molte malattie neurodegenerative vanno a colpire i nuclei della base anatomicamente poco identificabili per un occhio non abituato.

La corteccia cerebrale, che è quel sottile strato esterno degli emisferi cerebrali, è responsabile in larga misura della pianificazione e dell'esecuzione delle azioni della vita di ogni giorno. La corteccia cerebrale ha una superficie notevolmente irregolare per la presenza di fissure (solchi) che delimitano regioni di forma convessa (giri). Probabilmente questa irregolarità si è sviluppata nel corso dell'evoluzione per soddisfare l'esigenza di contenere in un volume ridotto un numero sempre crescente di neuroni.