Riassunto esame Psicologia, prof Angrilli, libro consigliato Neuroscienze, esplorando il cervello, Bear, Connor)

I neuroni e le cellule gliali

Introduzione

Tutti i tessuti e gli organi del corpo umano sono costituiti da cellule. Le funzioni delle cellule e il loro modo di interagire specificano la funzione dei vari organi. Il cervello è l'organo più complesso, costituito da due tipi di cellule: i neuroni e la glia che a loro volta si differenziano per struttura, chimica e tipo di funzioni svolte. I neuroni sono le cellule più importanti: rilevano i cambiamenti nell'ambiente e comandano le risposte del corpo alle sensazioni. La glia, o cellule gliali, contribuiscono isolando, sostenendo e nutrendo i neuroni vicini.

La teoria del neurone

Il progresso delle neuroscienze è stato possibile grazie a una serie di scoperte scientifiche:

• La scoperta del microscopio composto (fine 1600);
• L'utilizzo della formaldeide per "fissare" i tessuti cerebrali gelatinosi (inizio 1800);
• L'utilizzo del microtomo per il taglio dei tessuti.

L'introduzione di questi strumenti produsse un nuovo campo di ricerche chiamato Istologia, ovvero, lo studio tramite microscopia della struttura dei tessuti. Successivamente, l'uso di coloranti consentì di evidenziare parti differenti delle cellule nervose:

• Colorante di Nissl (violetto Cresyl) evidenzia il nucleo e gruppi di materiale circostante (fine 1800);
• Colorante di Golgi (cromato d'argento) evidenzia oltre al corpo cellulare i neuriti divisi in due categorie: assoni e dendriti (1873).

Cajal sviluppò la tecnica introdotta da Golgi sostenendo, a differenza di questi, che la teoria cellulare, secondo la quale le cellule non sono connesse per continuità ma per contatto, valesse anche per i neuroni (Teoria del neurone).

Il neurone prototipico

Il Soma: la parte centrale del neurone composta da citosol e organuli.

• Citosol: soluzione salina, ricca di potassio, interna alla cellula e separata dall'esterno dalla membrana neuronale;
• Citoplasma: tutto quanto si trova all'interno della cellula ad esclusione del nucleo;
• Nucleo: contenuto all'interno di un doppio involucro chiamato membrana nucleare. Nel nucleo ci sono i cromosomi che contengono il materiale genetico, il DNA (acido desossiribonucleico). Il DNA presente nei neuroni è lo stesso di ogni altra cellula, ciò che lo distingue sono le specifiche porzioni di DNA che vengono utilizzate per assemblare le cellule. Questi segmenti sono chiamati geni. La "lettura" del DNA viene chiamata espressione genetica e il prodotto finale è la sintesi di particolari molecole, le proteine, che avviene nel citoplasma. Poiché il DNA non lascia mai il nucleo, il trasporto avviene attraverso una molecola chiamata mRNA (acido ribonucleico messaggero). Le molecole di RNA sono sintetizzate dall'RNA polimerasi. Il processo di trascrizione inizia nella regione promotrice del gene e finisce nella sequenza di terminazione. L'iniziale RNA deve essere tagliato e ricucito (splicing) per mantenere gli esoni ed eliminare gli introni (frammenti di DNA che non codificano per le proteine). Successivamente l'mRNA passa dal nucleo al citoplasma dove viene usato per la sintesi proteica, verrà cioè tradotto dai ribosomi del RE rugoso o dai ribosomi liberi, in proteine. La Biologia molecolare studia questo processo, così riassunto: DNA → trascrizione → mRNA → traduzione → Proteina.

Reticolo endoplasmatico rugoso (RE rugoso): gruppi di membrane cosparse di strutture globulari chiamate ribosomi. La presenza di RE rugosi nei neuroni è molto alta rispetto la glia o le altre cellule non neuronali. Il RE rugoso è il sito dove avviene la gran parte della sintesi proteica dei neuroni. Gli RNA trascritti si legano ai ribosomi e questi traducono le istruzioni contenute nell'mRNA per assemblare una molecola proteica. Le proteine sintetizzate su un RE rugoso sono destinate a essere inglobate (in un organulo) o inserite nella membrana, quelle sintetizzate nei ribosomi liberi sono destinate a rimanere all'interno del citosol.

Reticolo endoplasmatico liscio (RE liscio): compie diverse funzioni in diversi siti. Alcuni si legano al RE rugoso, altri regolano la concentrazione interna di sostanze come il calcio (es. cellule del muscolo, RE sarcoplasmatici).

Apparato del Golgi: una funzione importante sembra sia quella di selezionare alcune proteine destinate a dendriti ed assone (granuli secretori).

Mitocondrio: è la sede della respirazione cellulare. Quando inspira, introduce acido piruvico (derivato da grasso, zucchero e proteine) e ossigeno presenti nel citosol. Attraverso una serie di reazioni (ciclo di Krebs), l'acido piruvico viene trasformato in adenosintrifosfato (ATP). Quando espira, vengono rilasciate 17 molecole di ATP per ognuna di acido piruvico. L'energia chimica immagazzinata tramite l'ATP viene usata come carburante per gran parte delle reazioni biochimiche neuronali. Acido Piruvico + O₂ → ATP + CO₂

La membrana neuronale

Serve come barriera per contenere il citoplasma all'interno del neurone e per escludere alcune sostanze presenti nel fluido extracellulare. La sua composizione proteica è diversa tra soma, dendriti ed assone.

Il citoscheletro

Struttura che sostiene la cellula e composta da:

• Microtubuli (20nm): disposti longitudinalmente in direzione dei neuriti, sono composti da più cavi intrecciati come una corda attorno alla cavità centrale. Ciascuno dei cavi è formato da molecole di tubulina unite come una collana di perle. Il processo di unione di piccole proteine per formare un lungo cavo è detto polimerizzazione e il cavo risultante è chiamato polimero. Una classe di proteine che partecipa all'assemblaggio ed al funzionamento dei microtubuli sono le MAP, (proteine associate ai microtubuli) che ancorano i microtubuli uno all'altro e ad altre parti del neurone. Modificazioni patologiche di una MAP assonale, dette tau, sono implicate nella demenza che accompagna la malattia di Alzheimer.
• Microfilamenti (5nm): si possono trovare in molte parti del neurone, disposti longitudinalmente verso il centro dei neuriti e, strettamente associati alla membrana, alla quale sono ancorati come una tela di un ragno. Sono composti da sottili cavi, polimeri della proteina actina.
• Neurofilamenti (10nm): presenti in tutte le cellule con il nome di filamenti intermedi, hanno lievi differenze strutturali da un tessuto all'altro (es. cheratina/capelli). Sono molto solidi dal punto di vista meccanico essendo composti, a differenza dei precedenti, da lunghe molecole attorcigliate.

La malattia di Alzheimer e il citoscheletro neuronale

Inserto: Caratterizzata dalla distruzione del citoscheletro dei neuroni della corteccia cerebrale. La gravità della demenza è strettamente correlata con il numero e la distribuzione di grovigli neurofibrillari composti principalmente dalla proteina tau associata ai microtubuli. Questa normalmente funziona come un ponte tra i microtubuli nell'assone, assicurando il decorso rettilineo e parallelo. Nella malattia di Alzheimer la proteina tau, in seguito a disfunzioni nella secrezione da parte del neurone della proteina amiloide, si distacca dai microtubuli e si accumula nel soma impedendo il normale flusso di informazioni e causando l'avvizzimento dell'assone e poi la morte del neurone.

L'assone

Struttura esclusiva dei neuroni, altamente specializzata per il trasporto dell'informazione a distanza nel sistema nervoso. Nessun RE rugoso si estende nell'assone quindi non vi sono ribosomi e di conseguenza, non avviene alcuna sintesi proteica; le proteine vengono pertanto originate nel soma. La composizione della membrana assonica è diversa da quella somatica. Le proteine della membrana fungono da filo telegrafico per spedire informazioni a grandi distanze.

• Cono di integrazione: segmento iniziale dell'assone.
• Terminale dell'assone: parte terminale dell'assone (bottone). Il citoplasma del terminale si differenzia da quello dell'assone per varie ragioni:
  • I microtubuli non si estendono nel terminale;
  • Presenza di cavità membranose dette vescicole sinaptiche (contenenti neurotrasmettitori);
  • Superficie interna della membrana di fronte alla sinapsi ricca di proteine;
  • Alta presenza di mitocondri (alto consumo di energia).
• Sinapsi: punto di contatto. Si divide in due parti indicanti la direzione del flusso di informazioni: la parte presinaptica (terminale assonico) e la parte postsinaptica (dendrite, soma). Lo spazio intermedio tra le due membrane è detto spazio intersinaptico.

Il trasferimento dell'informazione da un neurone all'altro è detto trasmissione sinaptica. Presso la maggior parte delle sinapsi l'informazione in forma di impulsi elettrici viene convertita in un segnale chimico (neurotrasmettitore), riconvertito poi, nella membrana postsinaptica, in segnale elettrico. La modificazione di questo processo è coinvolta nei processi di memoria e di apprendimento e la disfunzione della trasmissione sinaptica è responsabile di alcuni disturbi mentali oltre che influenzata da droghe psicoattive e gas nervino.

• Trasporto assoplasmatico: movimento di materiale dal soma verso la terminazione dell'assone e viceversa. Se l'assone viene separato (tagliato) dal soma non sopravvive (degenerazione walleriana). Il trasporto può essere lento, ovvero attraverso il citoplasma dell'assone o veloce grazie all'incapsulamento del materiale che viaggia lungo i microtubuli per mezzo di una proteina alimentata dall'ATP. Nel trasporto anterogrado (dal soma al terminale), interviene la proteina chinesina mentre nel trasporto retrogrado (dal terminale al soma), interviene la proteina dineina.

I dendriti

Ramificazioni che partono dal soma di un neurone, chiamati collettivamente albero dendritico. Funzionano come le antenne del neurone e sono coperti da migliaia di sinapsi. La parte della membrana interna al dendrite (postsinaptica) possiede molte molecole di proteine specializzate chiamate recettori che percepiscono il neurotrasmettitore nello spazio intersinaptico. I dendriti di alcuni neuroni sono ricoperti da strutture chiamate spine dendritiche (protuberanze elastiche). La struttura delle spine è sensibile al tipo e alla quantità di attività sinaptica. Insolite modificazioni alle spine sono state riscontrate in individui con danni cognitivi o ritardo mentale.

Ritardo mentale e spine dendritiche

Inserto: Il ritardo mentale ha molte cause, le più gravi sono associate a malattie genetiche: nella fenilchetonuria (PKU), i bambini presentano un livello abnorme di fenilalanina nel sangue e nel cervello in seguito ad un deficit dell'enzima che dovrebbe metabolizzarlo. Se non curata, la crescita cerebrale si arresta. Nella sindrome di Down, la normale espressione genetica è compromessa dalla copia extranumeraria del cromosoma 21. Una seconda causa riguarda gli incidenti durante la gravidanza e l'infanzia: infezione materna da rosolia o asfissia durante il parto. Una terza causa è l'alimentazione insufficiente durante la gravidanza: sindrome fetoalcolica in figli di donne alcoliste. Una quarta causa è l'impoverimento ambientale: mancanza di buona alimentazione, socializzazione e stimolazione sensoriale durante l'infanzia. Un ulteriore causa dipende dallo sviluppo delle spine dendritiche. Nei bambini con ritardo mentale, i dendriti presentano un numero inferiore di spine dendritiche, insolitamente lunghe e sottili. Queste somigliano a quelle del feto normale lasciando supporre che il loro sviluppo dipenda strettamente dall'ambiente durante il periodo neonatale e la prima infanzia. Molti cambiamenti indotti nel cervello dalla deprivazione possono essere invertiti, intervenendo precocemente.

Tipi di neuroni

Il tentativo di comprendere il contributo di una categoria di cellule rispetto la singola cellula, ha prodotto svariate classificazioni:

• Classificazione sul numero di neuriti;
• Classificazione sui dendriti: cellule piramidali, cellule stellate. Neuroni con dendriti che presentano o meno spine (spinosi e non spinosi);
• Classificazione sulle connessioni;
• Classificazione sulla lunghezza dell'assone;
• Classificazione sul neurotrasmettitore.

La glia

• Astrociti: cellule di riempimento dello spazio tra i neuroni. Il loro ruolo principale è quello di regolare il contenuto chimico di tale spazio cellulare. Limitano la diffusione di molecole di neurotrasmettitore rilasciate avvolgendo le giunzioni sinaptiche, attraverso speciali proteine rimuovono molti neurotrasmettitori dallo spazio intersinaptico, controllano la concentrazione extracellulare da sostanze ostacolo alla funzione neuronale, in particolare degli ioni potassio.
• Oligodendroglia (SN centrale, mielinizza più assoni) e cellule di Schwann (SN periferico, mielinizza un solo assone): forniscono strati si membrana che isolano gli assoni avvolgendoli a spirale. Tale guaina chiamata mielina, serve a rendere più veloce la propagazione degli impulsi lungo l'assone e si interrompe periodicamente in regioni chiamate nodi di Ranvier.
• Cellule ependimali: forniscono il rivestimento dei ventricoli del cervello, determinano la direzione della migrazione di cellule nella fase di sviluppo cerebrale.
• Microglia: cellule che rimuovono gli avanzi del neurone e di glia morti o in via di degenerazione.
• Parte vascolare: arterie e capillari.

La membrana del neurone a riposo

Introduzione

Il neurone conduce le informazioni per una certa distanza usando segnali che si muovono rapidamente lungo l'assone. La carica elettrica è condotta nel citoplasma dell'assone da atomi (ioni) elettricamente carichi e non da elettroni liberi (come nei fili elettrici). Il citosol è pertanto un conduttore peggiore del filo di rame. In più, l'assone non è particolarmente isolato ed è immerso nel fluido extracellulare salato che conduce elettricità. La membrana assonica è però capace di condurre un particolare tipo di segnale, l'impulso nervoso o potenziale d'azione. Le cellule capaci di generare e condurre potenziali d'azione (cellule nervose e muscolari) si dice che possiedono una membrana eccitabile. In un neurone a riposo, la membrana eccitabile non sta generando impulsi e il citosol adiacente alla membrana è carico negativamente rispetto all'esterno (potenziale di membrana a riposo). Il potenziale d'azione è l'inversione di questa condizione per un istante, sufficiente a far si che il versante interno della membrana diventi carico positivamente rispetto all'esterno.

I costituenti chimici

I tre attori principali sono: i fluidi ricchi di sali su entrambe le facce della membrana, la membrana stessa e le proteine che attraversano la membrana:

Il citosol e il fluido extracellulare

• Acqua: principale costituente del fluido intracellulare ed extracellulate. La proprietà principale della molecola d'acqua è la sua ineguale distribuzione di carica elettrica (H₂O). I due atomi di idrogeno e l'atomo di ossigeno sono tenuti insieme da un legame polare (O carica positiva e H carica negativa) covalente (condividono gli elettroni). Questa polarità rende l'acqua un solvente efficace verso altre molecole cariche o polari.
• Ioni: atomi o molecole che hanno carica elettrica netta. La carica elettrica di un atomo dipende dalla differenza tra il numero di protoni e di elettroni (differenza 1,2,... > monovalente, bivalente,...). Gli ioni con carica positiva sono detti cationi, quelli con carica negativa anioni. Gli ioni particolarmente importanti per la neurofisiologia cellulare sono i cationi monovalenti Na⁺ (sodio) e K⁺ (potassio), il catione bivalente Ca²⁺ (calcio) e l'anione monovalente Cl^- (cloro).

La membrana fosfolipidica

Le sostanze con carica elettrica diversa si dissolveranno in acqua (idrofile), le sostanze unite da legami covalenti non polari (condividono lo stesso numero di elettroni) saranno idrorepellenti (idrofobe). I lipidi, costituenti la membrana, sono una classe di molecole insolubili in acqua.

• Doppio strato fosfolipidico: disposizione fissa che isola il citosol dal fluido extracellulare composta da un doppio strato di fosfolipidi formati da una lunga catena non polare formata da atomi di carbonio legati ad atomi di idrogeno e una testa polare idrofila. Le catene sono rivolte una all'altra mentre le teste sono esposte verso gli ambienti esterno ed interno della cellula.

Le proteine

Tutto il mondo del neurone dipende dai diversi tipi e funzioni di proteine.

• Struttura delle proteine: sono assemblate partendo da 20 differenti aminoacidi. Ogni aminoacido contiene un atomo centrale di carbonio (carbonio alfa), legato covalentemente a quattro gruppi molecolari: un atomo di idrogeno, un gruppo aminoacidico (NH₃⁺), un gruppo carbossilico (COO^-) e un gruppo residuo variabile (gruppo R). Nella sintesi delle proteine nei ribosomi, gli aminoacidi si uniscono tramite legami peptidici (collegano il gruppo aminico di un aminoacido con il gruppo carbossilico di un altro) in una catena denominata polipeptide. La struttura della proteina si sviluppa su 4 livelli:
  • Struttura primaria: sequenza di aminoacidi del polipeptide;
  • Struttura secondaria: il polipeptide si avvolge a formare un'alfa elica;
  • Struttura terziaria: ripiegamento tridimensionale del polipeptide;
  • Struttura quaternaria: legame tra differenti peptidi a formare una proteina più grande.
• Canali ionici: classi di proteine a forma di bastone con gruppi polari alle estremità e gruppi idrofobici nella porzione mediana. 4/6 molecole proteiche simili assemblate a formare un poro di diametro e gruppo R variabili in relazione alla loro selettività.