Sistema nervoso, anatomo-fisiologia

Introduzione al sistema nervoso

Il sistema nervoso consente la vita di relazione e supervisiona tutte le funzioni dell’organismo. Esistono perciò sensori (capaci di cogliere stimoli) ed effettori (che rispondono a questi). Negli organismi semplici ciò è realizzato da una singola cellula. In un successivo stato dell’evoluzione il sistema nervoso risponde diversamente in base agli stimoli: per fare ciò è necessario che più strutture comunichino tra loro.

Il sistema nervoso corrisponde alla nascita di strutture che connettono stimolo e risposta a strutture superiori che elaborano le informazioni. Nel nostro sistema nervoso ci sono ancora sistemi elementari (come il midollo spinale) che hanno soprattutto la funzione di conduzione; invece altri sistemi nervosi, detti sovrassiali, elaborano le informazioni complesse per generare risposte articolate.

Il neurone

L’unità elementare del sistema nervoso è il neurone. Esso ha un corpo (o soma, con il nucleo) e dei prolungamenti, lunghi fino a 1 metro; ciò ne aumenta volume e consumo metabolico, innalzato dall’incessante transito di potenziali d'azione, mantenuti da pompe ioniche attive (dispendio di energia). Inoltre, i neuroni hanno un reticolo endoplasmatico molto sviluppato per la sintesi di molte proteine e sono cellule stabili (connessioni permanenti), ma che non si riproducono. Nello sviluppo c’è una selezione (apoptosi, morte programmata) che elimina le cellule non utilizzate. Ottenute delle connessioni stabili, i neuroni non si sviluppano più. In genere se muore una parte di tessuto neurale, non ci sarà ricostruzione del tessuto, ma altre strutture possono vicariare la funzione persa.

Protezione del sistema nervoso

Il sistema nervoso si racchiude in strutture molto solide (cranio e colonna vertebrale), per proteggersi da insulti meccanici e da infezioni, grazie a citochine che richiamano macrofagi. Nel sistema nervoso centrale la risposta immunitaria è molto debole perché le citochine, per eliminare l’infezione, creerebbero danni al tessuto cerebrale. Per supplire alla mancanza di un vero e proprio sistema immunitario esiste una barriera meccanica (meningi) e la barriera ematoencefalica (che controlla gli scambi tra torrente circolatorio e sistema nervoso).

Propagazione del potenziale d'azione (PdA) e cellule gliali

Quando in una regione interna alla membrana il potenziale a riposo raggiunge il valore soglia, in quel punto si genera una depolarizzazione che può propagarsi a tutta la membrana (potenziale d'azione). I neuroni però sono funzionalmente polarizzati, quindi portano il potenziale d'azione solo in un senso: da corpo ad assone. Un neurone ha prolungamenti differenti; quelli che portano l’informazione in uscita sono assoni (neuriti); quelli che trasportano l’informazione al corpo cellulare, (in entrata) sono dendriti.

La polarizzazione del neurone è data dal fatto che l’eccitazione può avvenire solo grazie a strutture specializzate, le sinapsi, e a questo livello avviene lo scambio unidirezionale di informazioni. La membrana del neurone pre-sinaptico e quella del neurone post-sinaptico hanno una conformazione particolare: il primo ha un rigonfiamento (bottone pre), dove ci sono vescicole contenenti il neurotrasmettitore, una molecola che attiva una serie di meccanismi, legandosi ai recettori della membrana post.

Il potenziale d'azione fa liberare le vescicole per esocitosi; il contenuto esce nello spazio sinaptico, incontra i recettori e ciò provoca una risposta post. Una sinapsi può generare un aumento o una diminuzione del potenziale di membrana (eccitatoria o inibitoria). Le sinapsi possono essere sui dendriti (assodendritiche), sul corpo (assosomatiche), o su un assone (assoassoniche). Le ultime due sono solitamente inibitorie, mentre le prime possono essere sia eccitatorie sia inibitorie: dipende dal neurotrasmettitore rilasciato. Quelli inibitori sono la glicina, l’acido GABA, quelli eccitatori sono amminoacidi (glutammato, aspartato), ammine (serotonina), noradrenalina. Alcuni possono essere eccitatori o inibitori in base al tipo di recettori postsinaptici (per esempio dopamina).

Classificazione dei neuroni

Il potenziale d'azione non può viaggiare in senso retrogrado perché nei dendriti non sono presenti bottoni sinaptici. Organismi semplici hanno neuroni unipolari; la maggior parte dei neuroni umani è multipolare (corpo cellulare abbastanza grosso, un decimo di mm, con assone ramificato e molti dendriti di cui uno apicale). I neuroni possono essere distinti anche in base alle dimensioni o in base al tipo di connessioni: se il neurone manda il collegamento all’esterno rispetto a dove si trova, si chiamerà proiettivo; quelli che realizzano connessioni a breve distanza (reti neuronali con neuroni connessi per ottenere risposte complesse) sono piccoli, ramificati, e sono di tipo associativo, (interneuroni).

Cellule gliali

Ci sono altre cellule che supportano i neuroni e che costituiscono la matrice: le cellule gliali. Si distinguono:

• Astrociti: con i loro prolungamenti contribuiscono a formare la barriera ematoencefalica (controlla gli scambi metabolici del neurone; sono adesi all’endotelio e danno sostegno meccanico).
• Microglia: uniche cellule immunitarie, di origine mesenchimale; sono relativamente poche e hanno attività fagocitaria.
• Oligodendrociti: creano intorno agli assoni nel sistema nervoso centrale (organizzati in fibre) la guaina mielinica; sono manicotti isolanti che velocizzano la conduzione del segnale (quanto più sono spessi), perché così il potenziale d'azione non deve depolarizzare tutta la membrana, ma lo fa "a salti". I nodi di Ranvier sono punti nell’assone in cui si interrompe la guaina.

Nel sistema nervoso periferico la funzione di formare la guaina mielinica è svolta dalle cellule di Schwann, che diversamente dagli oligodendrociti, avvolgono le fibre singolarmente. Nelle fibre amieliniche la propagazione del potenziale d'azione avviene più lentamente.

Organizzazione dei neuroni all'interno del sistema nervoso

Il sistema nervoso centrale è distinto in zone in cui prevale la componente fibrosa, per la conduzione (sostanza bianca); tali fibre prendono origine dai rispettivi nuclei (sostanza grigia). Nel cervelletto e nell’encefalo la sostanza grigia è organizzata a strati e forma la corteccia. Nel tronco encefalico invece la sostanza bianca è esterna, la sostanza grigia è interna e organizzata in nuclei. La stessa conformazione si ha nel midollo spinale ma la sostanza grigia è organizzata in colonne, omogenee anche dal punto funzionale. La diversa disposizione di sostanza bianca e grigia negli organi distingue:

• Soprassiali: non hanno contatto con la periferia ma controllano e coordinano i centri assili; hanno la sostanza grigia esterna che forma la corteccia.
• Assili: hanno contatto diretto con la periferia, sostanza bianca all’esterno.

Reti neuronali

Partendo da un’unità elementare del tipo "tutto o nulla" (potenziale d'azione), si passa a una rete neuronale capace di trasferire, integrare, modulare e modificare l’informazione. La modulabilità è presente in organismi superiori ed è legata a interneuroni e a sinapsi eccitatorie/inibitorie. L’impulso può esser distribuito in divergenza (la stessa informazione è inviata a parti diverse) o convergenza (più informazioni allo stesso punto); la ridistribuzione temporale permette di controllare i circuiti tipo feedback (il comando parte, l’assone eccitatorio contrae il muscolo, ma una ramificazione di questo eccita un interneurone inibitorio che ostacola la partenza di un nuovo potenziale d'azione = circuito riverberante). I nuclei di relè sono nei centri superiori e integrano afferenze ed efferenze dalla periferia, generando un unico segnale in uscita.

• Fibre associative: non escono dall’organo da cui hanno origine.
• Fibre commessurali: connettono i due emisferi cerebrali (corpo calloso).
• Fibre proiettive: originano in un organo e terminano in un altro.

Organizzazione generale dei sistemi sensitivi

La sensibilità può essere esterocettiva, propriocettiva o introcettiva (viscerale). Quella somatica può essere divisa in diverse componenti in base alle vie trasportate:

• Sensibilità lemniscale: (fibre a forma di lamine appiattite) condotta in alto dal lemnisco mediale (nel tronco encefalico); è una sensibilità profonda o epicritica. È discriminativa (propriocettiva, vibratoria, tattile discriminativa), cioè fa percepire stimoli più fini.
• Sensibilità extralemniscale: o protopatica, è meno discriminativa (termica, dolorifica, tattile non discriminativa). È trasportata da un sistema più lento (più interruzioni rispetto alla lemniscale).

Queste vie hanno almeno quattro neuroni; il primo si trova nella radice periferica (gangli delle radici posteriori), il secondo origina o nel midollo spinale dal fascio ascendente (spinotalamico), o nel tronco encefalico (lemnisco mediale); il terzo neurone si trova nel talamo, punto di convergenza delle informazioni sensitive (neurone talamico); il quarto neurone si trova nella corteccia (percezione cosciente dello stimolo). Le vie in ascesa possono inviare rami collaterali per modulare l’informazione.

Organizzazione generale dei sistemi motori

Organizzato a vie parallele, il più recente e veloce è il sistema piramidale, (dalla piramide bulbare, nel tronco encefalico, da cui passano le fibre del sistema, incrociandosi). È in genere monosinaptico: il primo neurone si trova nella corteccia motoria e il suo assone arriva al midollo spinale o al tronco encefalico, da cui parte il motoneurone per il muscolo. Il fatto di avere una sola interruzione implica una elevata velocità ed una scarsa modulabilità dell’informazione. Nell’uomo è presente maggiormente del sistema extrapiramidale in un rapporto di 20:1. La prima via trasporta un comando motorio molto preciso a un determinato distretto, la seconda controlla attività motorie non meno precise, ma più globali. Se camminiamo usiamo la via extra, se danziamo la via piramidale, perché agisce sul passo in modo più monitorato.

Embriologia

Il tubo neurale nell’embrione ha origine dall’ectoderma. La segmentazione porterà a formare i diversi organi; il midollo spinale, il tronco encefalico ed encefalo. Dal tubo neurale ha origine direttamente il midollo spinale, dalla vescicola romboencefalica il bulbo, il ponte e il cervelletto, dalla mesencefalica il mesencefalo e dalla proencefalica il diencefalo e il telencefalo. Questo cresce tanto rispetto alle altre due vescicole; il diencefalo resterà coperto dagli emisferi cerebrali, che crescono tanto da doversi ripiegare nel cranio. Durante la differenziazione del sistema nervoso, le cellule si raggruppano tra loro con significato diverso in regioni specifiche del tubo neurale. Nel midollo spinale si formano la lamina basale (cellule ante con significato efferente) e la lamina alare (cellule poste con significato afferente). Queste strutture formeranno le corna anteriori motorie (vie discendenti centrifughe) e le posteriori sensitive (vie ascendenti centripete).

Organizzazione del midollo spinale

Parte assile del sistema nervoso centrale, con sostanza bianca all’esterno e sostanza grigia all’interno. Cordone lungo circa 40 cm con diametro di 1 cm (in media). Il midollo spinale non è uniforme: nei tratti cervicale e lombare ha 2 rigonfiamenti per via della funzione che queste due aree hanno; il midollo spinale parte dal bulbo e termina in una formazione conica, (filum terminale) senza fibre nervose. Il midollo spinale ha una sostanza grigia a forma di farfalla o ad H. È avvolto da 3 meningi: la pia madre, l’aracnoide e più esternamente la dura madre. Le radici escono dagli specs vertebrali, si raccolgono e formano due grosse coppie di nervi: una che emerge dalla faccia antero-mediale, l’altra dalla postero-laterale.

Sul decorso delle radici posteriori troviamo un rigonfiamento che costituisce il ganglio delle radici posteriori (assente nelle anteriori) in cui ci sono i corpi cellulari dei neuroni sensitivi. I corpi delle fibre nervose motrici (delle radici anteriori) si trovano nelle corna anteriori del midollo spinale. Il midollo spinale non occupa tutto lo speco vertebrale, ma arriva fino a L2. Questo perché nello sviluppo, la componente scheletrica cresce di più della nervosa. È una struttura ordinata, metamerica, come se il midollo spinale fosse fatto da 33 segmenti, ognuno corrispondente ad una determinata regione della periferia; il dermatomero corrisponde alla regione cutanea di quella radice.

I metameri sono cervicali, toracici, lombari, sacrali e coccigei, ognuno con una corrispondente coppia di radici: 8 cervicali, 12 lombari, 5 lombari, 3 coccigee. 8 cervicali in quanto la prima passa sopra l’atlante (C1) la radice C8 passa tra le vertebre C7 e T1; nel tratto cervicale le radici hanno un percorso orizzontale; T12 termina intorno a T9, quindi il decorso è obliquo; S5 si ferma a L1, quindi le radici del tratto sacrale per arrivare al loro foro di uscita hanno un decorso quasi verticale. In questo tratto si trova la cauda equina, costituita da fibre nervose in discesa, le radici lombo-sacrali.

La sostanza grigia può essere suddivisa in diverse componenti: corno posteriore, anteriore, massa intermedia. Il corno laterale contiene in alcune parti del midollo spinale la colonna intermedio-laterale. La sostanza grigia è meno estesa nel tratto toracico, più consistente nel lombare (soprattutto nelle corna anteriori motorie). Le colonne anteriori sono motrici, le posteriori sensitive. Si distinguono una componente somatica (al muscolo volontario; percezione cosciente degli stimoli sui muscoli e sui recettori) e una componente viscerale (controllo dell’attività dei visceri, es contrazione del miocardio o della muscolatura liscia, secrezione ghiandolare – sensibilità involontaria dei visceri). Ci sono quindi 4 regioni: somatica motrice, effettrice viscerale (non “motrice” perché comanda muscoli ma anche ghiandole), sensitiva viscerale, sensitiva somatica. La sostanza bianca è organizzata in cordoni (anteriori, posteriori e laterali), costituiti da fasci di fibre ascendenti o discendenti. Ogni cordone è diviso dagli altri da membrane, costituite da un’espansione delle meningi o da cellule gliali. Infine si distinguono 9 lamine, ognuna diversa dalle altre per il tipo di connessioni. Queste vengono numerate da posteriori ad anteriori. La I, II, III e IV sono lamine sensitive somatiche, la V è sensitiva somatica, la VI e VII sono viscerali effettrici (del sistema nervoso autonomo) le VIII e la IX sono motrici somatiche.

Sostanza grigia e organizzazione colonnare

Nella formazione a farfalla, raggruppamenti di neuroni con la stessa funzione sono suddivisi in lamine. La lamina I non contiene neuroni proiettivi ma solo interneuroni, che connettono segmenti diversi del midollo spinale (sono neuroni associativi intersegmentari a breve raggio). Anteriormente c’è la lamina II, chiamata sostanza gelatinosa (con pochi neuroni) e per lo più le sinapsi hanno una funzione modulatrice (sinapsi assodendritiche). Nella lamina III ci sono interneuroni e i collaterali delle fibre che entrano nelle radici posteriori. Le lamine I, II, e III sono importanti per la modulazione dell’informazione sensitiva somatica, in particolare nocicettiva. Una delle più importanti per la trasmissione ascendente è la lamina IV.

È abbastanza estesa e contiene neuroni proiettivi verso l’alto di grosse dimensioni; ricevono fibre originate dagli interneuroni delle lamine posteriori (che modulano l’informazione). È uno dei grossi sistemi proiettivi in ascesa, il fascio spinotalamico, che trasporta tutta l’informazione esterocettiva di minor potere discriminativo, superficiale o protopatica (sensazione dolorosa, termica, tattile). Quindi le fibre che entrano dalle radici posteriori fanno sinapsi con i neuroni della lamina IV da cui originano assoni che passano nella metà opposta del midollo spinale e risalgono dal fascio di conduzione del cordone controlaterale.

La lamina V è sensitiva e contiene neuroni del fascio spinotalamico e altri che costituiscono i sistemi associativi intersegmentari tra diversi metameri del midollo spinale. Sono importanti perché realizzano alcune attività riflesse (riflesso patellare: colpendo il tendine rotuleo la gamba si estende perché il quadricipite si contrae. Questo perché esiste un sistema bineuronale dai fusi neuromuscolari che rispondono alla stimolazione. Essi conducono un potenziale d'azione direttamente nel midollo spinale, l’informazione sensitiva viene elaborata a livello locale e si realizza un’attività riflessa. Ogni volta che la fibra sensitiva trasporta i potenziali d'azione, una parte viene mandata in alto, per cui io sento che il martello mi percuote, l’altra parte viene mandata sino alla lamina 9 dove c’è il motoneurone spinale del quadricipite che fa contrarre il muscolo. Il riflesso patellare è quindi un riflesso da stiramento, ma è plurisegmentario. Ciò non serve ad aumentare la velocità di risposta (anzi la riduce), né a modulare il segnale, ma a comandare il rilascio del muscolo antagonista oltre alla contrazione del quadricipite. L’informazione è mandata su un interneurone inibitorio che proietta sul motoneurone per il bicipite femorale che è inibito)).

Questi sistemi di conduzione intersegmentale intramidollare realizzano attività riflesse senza l’intervento di strutture sovrassiali. Ad esempio, quando pesto con il piede qualcosa di appuntito, lo alzo in modo riflesso allontanandolo dallo stimolo doloroso. Questo è un riflesso complesso perché parto da una stimolazione nocicettiva che però induce un’attività motoria complessa di triplice flessione (piede, gamba, coscia). È un’azione plurisegmentaria. Queste possono avere anche una componente controlaterale; infatti se alzo la coscia sinistra quella destra si iperestende per poter stare in appoggio monopodalico. Nella lamina V oltre a fibre associative ci sono anche fibre che conducono verso l’alto, (fascio spinotalamico) e informazioni della sensibilità viscerale.

Verso le corna anteriori ci sono la lamina VI e VII con fibre che formano il fascio spinotalamico. Dalla VII originano le fibre effettrici del sistema nervoso autonomo. L’ortosimpatico ha la sua localizzazione nella colonna intermedio-laterale. Un altro sistema importante che ha origine in questa lamina è la colonna di Clarke. Anche questa riceve fibre dalle radici posteriori. Ha origine un sistema ascendente omolaterale, il fascio spinocerebellare diretto, che trasporta l’informazione della sensibilità propriocettiva soprattutto dagli arti inferiori e raggiunge lo spinocervelletto. Più anteriormente ci sono le lamina VIII e IX (stesso significato funzionale) con i motoneuroni spinali (fibre effettrici per muscoli assili e degli arti).