Riassunto esame Psicologia Fisiologica, prof. Trojano Luigi, libro consigliato Neuroscienze. Esplorando il carvello, Bear

Neuroscienze: esplorando il cervello

Espressione genica

Lettura del DNA che avviene nei cromosomi. Il prodotto finale è la sintesi delle proteine. Avviene nel citoplasma. All'interno viaggia l'mRNA, che trasporta il messaggio genetico, costituito da quattro differenti acidi nucleici legati tra loro a formare una catena. L'assemblaggio è detto trascrizione, che inizia dalla sintesi dell'RNA da parte dell'RNA-polimerasi. Durante il processo avviene lo splicing: l'RNA viene tagliato e ricucito per rimuovere gli introni che non codificano. L'assemblaggio di proteine di amminoacidi è detto traduzione e avviene nell'apparato di Golgi.

Fosfolipidi

Blocchi chimici che formano la membrana cellulare. Contengono una membrana non polare formata da atomi di carbonio, legati ad atomi di idrogeno. C'è poi un gruppo fosfato attaccato alla porzione terminale della molecola. Si crea un doppio strato fosfolipidico: teste idrofiliche e code idrofobiche.

Canali ionici

Classi di proteine che hanno gruppi polari su entrambe le estremità e gruppi idrofobici limitati alla porzione mediana. Proprietà: selettività ionica e variabilità dell'accesso o dipendenza.

Corrente elettrica

Quantità delle cariche elettriche in movimento, indicata con la I, si misura in ampere. I fattori che influenzano la quantità elettrica sono:

• Potenziale elettrico – forza esercitata su una particella elettrica; voltaggio o V; Volt.
• Conduttanza elettrica – facilità con cui una carica elettrica passa da un punto all'altro; g o Siemens.
• Resistenza elettrica – difficoltà della corrente a passare da un punto ad un altro; R o ohm.
• Legge di Ohm – I = g x v.
• Forza di conduzione ionica – differenza tra effettivo potenziale di membrana e potenziale di equilibrio.
• Depolarizzazione – cambiamento di potenziale di membrana dal normale valore a riposo a un valore meno negativo.

Potenziale d'azione

Brusca e rapida inversione della polarità del potenziale d'azione. Da -70 a +50 mV. Si genera nel monticolo assonico, dove ci sono i canali voltaggio-dipendente. Il PA è determinato dall'improvviso ingresso di Na+ nella cellula, depolarizzandola, e dalla fuoriuscita di K+. L'entrata di Na+ depolarizza la membrana e se questa depolarizzazione raggiunge il valore soglia (-65 mV) genererà un potenziale d'azione. Per tutto il tempo di apertura dei canali uno stimolo non può generare un altro potenziale d'azione (periodo refrattario assoluto); solo uno stimolo molto intenso può farlo (periodo refrattario relativo). Il periodo refrattario è responsabile di due caratteristiche dell'attività neuronale:

• Il PA si propaga attraverso una sola direzione.
• La frequenza di scarica dipende dall'intensità della stimolazione.

Per generare un potenziale d'azione è richiesta l'azione di più canali. Nell'uomo ci sono diversi geni che codificano per i canali del sodio e quindi un singolo malfunzionamento può generare delle malattie. La velocità di conduzione dipende dal calibro dell'assone e la carica può procedere per due vie:

• All'interno dell'assone – se questo è ampio e ha pochi pori.
• Lungo la membrana – se l'assone è stretto e ha molti pori.

La mielina funge da isolante e non è continua, quindi il potenziale d'azione si propagherà da nodo a nodo.

Sinapsi elettriche

Permettono un diretto trasferimento della corrente ionica da una cellula all'altra. Si trovano in siti specializzati detti giunzioni comunicanti, dove le membrane sono separate da uno spazio che contiene le proteine connessine (sei connessine formano una connessione e due connessioni formano un canale della giunzione comunicante). Questo permette agli ioni di passare da un citoplasma all'altro. Le sinapsi elettriche sono bidirezionali. La loro funzione varia da una regione all'altra e generalmente sono presenti nelle zone in cui l'attività dei neuroni è altamente sincronizzata.

Sinapsi chimiche

Sono quelle tipiche del corpo umano, di cui alcune caratteristiche sono:

• Vescicole sinaptiche – poste vicino alla membrana presinaptica, hanno una dimensione di circa 50 nm.
• Mitocondri – formano importanti fonti di energia.
• Cisterne – impianti di impacchettamento dei neurotrasmettitori.
• Fessure sinaptiche – spazi tra le membrane presinaptiche e postsinaptiche.

Possono essere identificati diversi tipi di sinapsi:

• Assodentritica – si trova su un dendrite.
• Assosomatica – si trova su un corpo cellulare.
• Assoassonica – si trova su un altro assone.

In base all'aspetto delle loro specializzazioni di membrana:

• Asimmetriche o Sinapsi del I tipo di Gray – sono più dense sul lato postsinaptico.
• Sinapsi del II tipo di Gray – hanno uno spessore simile.

Neurotrasmettitori

Rientrano in tre categorie chimiche: aminoacidi, amine e peptidi. Neuroni differenti rilasciano neurotrasmettitori differenti e vengono sintetizzati in modo differente, per poi essere incorporati nelle vescicole sinaptiche mediante i trasportatori. Il loro rilascio avviene per l'arrivo di un potenziale d'azione nel terminale assonico.

I recettori possono essere classificati in due categorie:

• Canali ionici trasmettitori-dipendenti: proteine transmembrana formate da cinque subunità che formano un poro, che in assenza di neurotrasmettitori è chiuso; se si lega a specifici siti si apre e la funzione dipenderà da quali ioni attraversano il poro: se i canali sono permeabili a Na+ si avrà una depolarizzazione che tenderà a portare il potenziale verso la soglia per generare un potenziale d'azione, quindi si avrà un effetto eccitatorio (potenziale post-sinaptico eccitatorio); se i canali sono permeabili al Cl- ci sarà un'iperpolarizzazione che non permetterà di generare potenziali d'azione (potenziale post-sinaptico inibitorio).
• Recettori accoppiati a proteine-G: hanno azioni lente, durature e diversificate e si suddividono in 3 fasi:
  • Le molecole del neurotrasmettitore si legano alle proteine recettrici nella membrana postsinaptica.
  • Queste molecole attivano la proteina G.
  • Le proteine G ne attivano altre "effettori" che possono regolare la funzione dei canali ionici o alterare il metabolismo cellulare.

Una volta liberato, il neurotrasmettitore deve essere distrutto e ciò può avvenire in due modi:

• Diffusione delle molecole fuori dalla sinapsi, in cui il neurotrasmettitore deve essere riassorbito nel terminale assonico postsinaptico.
• All'interno della fessura sinaptica attraverso la distruzione enzimatica.

Caratteristiche trasmettitore

Le molecole devono essere sintetizzate e immagazzinate nel neurone pre-sinaptico; devono essere rilasciate nel terminale assonico e devono produrre una risposta nel neurone post-sinaptico.

Metodi per studiare i recettori

Attraverso l'analisi neurofarmacologica vengono presi in considerazione gli effetti che le sostanze hanno sui recettori. La nicotina e la muscarina sono recettori agonisti che hanno effetti diversi sul muscolo scheletrico e cardiaca e si distinguono in due sottotipi: recettore colinergico nicotinico e recettore colinergico muscarinico. Antagonisti selettivi sono il curaro, un veleno che inibisce l'azione dell'Ach e l'atropina. Per il glutammato vengono distinti tre sottotipi: AMPA, NMDA e KAINATI.

Acetilcolina – neurotrasmettitore presente nella giunzione neuromuscolare e sintetizzato dai motoneuroni del midollo spinale. La sintesi richiede l'azione di colin-acetiltransferasi (ChAT), presente solo nei neuroni colinergici, quindi è un buon marcatore per le cellule che usano acetilcolina come neurotrasmettitore. ChAT trasporta un gruppo acetile alla colina -> trasportata nel terminale assonico -> viene prodotto un enzima che degrada l'acetilcolina che è l'acetilcolinesterasi.

Neuroni catecolaminergici – struttura chiamata catecolo; i trasmettitori che ne fanno parte sono: dopamina, noradrenalina e adrenalina, che contengono tirosin-idrossilasi -> catalizza la prima fase della sintesi trasformando la tirosina in dopa -> trasformato in dopamina dal DOPA-decarbossilasi.

Serotonina – deriva da acido triptofano; importante nel cervello in quanto regola il tono dell'umore, il comportamento emozionale e il sonno. Il processo di sintesi è: enzima triptofano idrossilasi converte il triptofano in 5-HTP (5-idrossitriptofano) -> l'enzima 5-HTP viene convertito in 5-HT (5-idrossitriptamina) -> la serotonina viene rilasciata nel terminale assonico -> viene rimossa dallo spazio intersinaptico grazie a uno specifico trasportatore.

Aminoacidi glutammato, glicina e acido gamma-butirrico – il glutammato e la glicina sono sintetizzati dal glucosio; il GABA viene sintetizzato dai neuroni che lo usano come neurotrasmettitori, sintetizzato dall'enzima decarbossilasi dell'acido glutammico.

Altre molecole che fungono da messaggeri chimici sono:

• ATP – adenosintrifosfato – concentrata nelle sinapsi del SNC e SNP, viene rilasciato nello spazio intersinaptico sottoforma di CA²⁺. Eccita alcuni neuroni aprendo un canale a cationi e si lega a recettori purinergici.
• Endocannabinoidi – molecole lipidiche, rilasciate da neuroni post-sinaptici e agiscono sui terminali pre-sinaptici. Questa comunicazione è chiamata trasmissione retrograda. Questi non sono immagazzinati nelle vescicole, ma sintetizzati al momento, sono piccoli e permeabili alla membrana e si legano selettivamente al recettore cannabinoide CB1.
• Monossido d'azoto – messaggero chimico instabile, sintetizzato dall'aminoacido arginina che influisce sulla regolazione della circolazione del sangue.
• Glutammato – composto da tre sottotipi: canali AMPA e NMDA mediano la maggior parte della trasmissione sinaptica veloce nel sistema nervoso; i recettori KAINATI esistono in tutto il cervello, ma la loro funzione non è ancora chiara.

I canali AMPA sono permeabili a NA⁺ e K⁺, ma non sono permeabili al CA²⁺. L'effetto della loro attivazione è fare entrare gli ioni NA⁺ nella cellula causando un'ampia e rapida depolarizzazione. I canali NMDA sono, invece, permeabili agli ioni CA²⁺ e l'influsso di corrente è voltaggio-dipendente. Il Ca²⁺ può stimolare il rilascio postsinaptico del neurotrasmettitore ed è in grado di attivare numerosi enzimi, regolando l'apertura di molti canali e influenzando l'espressione genica.

Il metodo per legare i ligandi

È stato usato da Snyder negli anni '60 per dimostrare che gli oppioidi fossero agonisti di alcuni recettori, per cui marcò radioattivamente gli oppioidi e li applicò ad alcune parti della membrana neuronale e verificò che effettivamente gli oppioidi si legavano ai recettori. Questa tecnica è chiamata metodo per legare i ligandi. L'analisi molecolare è nata grazie ai nuovi metodi per lo studio di molecole proteiche, divise in due gruppi:

• Canali ionici dipendenti, che sono strutture minuscole e complesse e singolarmente può, infatti, essere sensibile ad alcune sostanze chimiche e al voltaggio, in grado di regolare il flusso di corrente con grande precisione e operando una scelta fra ioni molto simili. Tra questi canali troviamo il recettore nicotinico Ach, costituito da quattro diversi polipeptidi (2 α 1 β, γ e δ);
• Canali aminoacidi dipendenti possiedono alcune proprietà che definiscono la loro funzione all'interno del cervello: farmacologica (quali trasmettitori influenzano i canali); cinetica (del processo di legame e operativa dei canali); selettività (dei canali ionici; determina se essi producono eccitazione o inibizione); conduttanza (determina la grandezza dei canali aperti e loro effetti); i recettori GABA controlla il canale selettivo al Cl- e media la maggior parte dell'inibizione sinaptica del SNC.

Recettori associati alla proteina G

Formati da un solo polipeptide costituito da sette alfa eliche, due cappi esterni che costituiscono i siti dove il trasmettitore si lega e due cappi intracellulari che possono legarsi e attivare la proteina G, che è l'abbreviazione di proteina guanosintrifosfato (GTP). Tutte le proteine funzionano allo stesso modo: durante lo stato di inattività, le subunità α della proteina G si lega alla molecola GDP -> quando viene attivata, la molecola GDP si trasforma in GTP -> la proteina G attivata si divide e la subunità Gα rimuove il fosfato dalla molecola GTP e converte nuovamente la molecola in GDP terminando l'attività. Le proteine G attivate esercitano la loro influenza legandosi o a canali ionici dipendenti dalla proteina G o enzimi attivati dalla proteina G. Non coinvolgendo altri intermediari chimici si parla di La via più breve: recettore -> proteina G -> canale ionico.

Struttura del sistema nervoso

Prima grande divisione tra SNC e SNP. Prendendo come riferimento anatomico il cervello di un ratto si individua una parte anteriore o rostrale (riferimento che verso il naso); parte posteriore o caudale (direzione verso la coda); parte dorsale (direzione che va in alto) e parte ventrale (direzione che va in basso). Il SN può essere diviso in due metà uguali, per cui presenta una caratteristica denominata simmetria bilaterale. La parte centrale è percorsa da una linea mediana invisibile e le strutture sono dette: mediali quando si trovano vicine a tale linea o laterali se sono più lontane. Si individuano inoltre strutture ipsilaterali e controlaterali (lato opposto alla linea mediana).

Visto parallelamente, il cervello viene sezionato in: piano sagittale mediano (divisione del cervello nelle due metà uguali di destra e sinistra) e piano sagittale (parallelo al piano sagittale mediano). Altri due piani, uno perpendicolare all'altro sono: piano orizzontale (parallelo al suolo) e piano coronale (perpendicolare al suolo).

Il SNC è costituito dal cervello e midollo spinale. Da una prospettiva vengono individuate tre parti:

• Encefalo – la parte più rostrale e grande del cervello diviso in due emisferi che hanno la particolarità di ricevere sensazioni dal lato controlaterale e sono divisi dalla scissura interemisferica.
• Cervelletto – si trova sotto l'encefalo e contiene una grande quantità di neuroni. È il centro di controllo dei movimenti e controlla le parti rispettive.
• Tronco encefalico – costituisce la parte restante del cervello ed è formato da fibre e cellule che funzionano come sistemi di ritrasmissione delle informazioni; è la regione in cui vengono regolate le funzioni vitali e con una lesione a tale regione si arriva rapidamente alla morte.

Il midollo spinale occupa il canale midollare vertebrale, dal tratto cervicale fino alle vertebre lombari. Il midollo contiene agglomerati di cellule nervose (sostanza grigia che è priva di mielina) e fasci di fibre (sostanza bianca che contiene assoni mielinizzati). È il principale mezzo di conduzione delle informazioni. Tutte le parti che non sono comprese nel cervello e nel midollo spinale fanno parte del SNP:

• SNP somatico, che è costituito da nervi spinali che innervano la cute, le giunture, i muscoli e governano la loro contrazione.
• SNP viscerale o SNA, anche detto involontario, in quanto è costituito da neuroni che innervano gli organi interni, vasi sanguigni e ghiandole.

Gli assoni del SN sono detti afferenti (se trasportano informazioni verso) o efferenti (se trasportano informazioni da).

Il SNC è protetto da tre membrane chiamate meningi:

• Dura madre – rivestimento più esterno e forte che protegge cervello e midollo spinale.
• Membrana aracnoidea – ha l'aspetto di una tela di ragno; non c'è spazio tra questa membrana e la dura madre, per cui se i vasi sanguigni nella dura madre si rompono vanno a riempire questa membrana formando un ematoma subdurale.
• Pia madre – uno strato lungo e sottile lungo il quale passano vasi sanguigni che si immergono nella sostanza del cervello sottostante. Separata dalla membrana aracnoidea dallo spazio aracnoideo, riempito da liquido cerebrospinale (LCS).

Il cervello è cavo e questa cavità, insieme ai canali del cervello, costituiscono il sistema ventricolare, attraversato da LCS che fluisce dai ventricoli e arriva fino ad una serie di cavità connesse al cuore e al tronco encefalico. Arriva poi nello spazio subaracnoideo attraverso piccole aperture localizzate, che vengono assorbite dai vasi sanguigni in strutture chiamate villi aracnoidei. Il SNC deriva dalle pareti del tubo pieno di liquido che si forma in uno stadio precoce dello sviluppo: l'embrione si presenta inizialmente come un disco piatto costituito da tre strati di cellule:

• Endoderma – dà origine al rivestimento di molti organi interni.
• Mesoderma – da cui si costruiscono le ossa dello scheletro.
• Ecnoderma – da cui derivano il sistema nervoso e la cute.

Il SNC neuronale primitivo inizia con un sottile strato di ecnoderma. Il primo stadio è importante per la formazione del canale neuronale (o doccia neuronale), le cui pareti (pieghe neuronali) si avvicinano e si fondono insieme, formando il tubo neuronale. La porzione di ecnoderma lasciata fuori è chiamata cresta neuronale e andrà a formare il sistema nervoso periferico.