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RIASSUNTO DEL LIBRO FONDAMENTI DI NEUROSCIENZE 1. Origini ! Le pitture morali della grotta di Chauvet risalgono a più di 30.000 di anni fa e sono tra gli esempi più antichi di arte rupestre paleolitica attualmente noti.! Esiste anche una classificazione degli ominidi fossili classificati in gruppi o generi: Ardipithecus, Austalopithecus e Homo, tra quelli sopravvissuti c’è solo l Homo Sapiens nonché la nostra specie che esiste ancora oggi mentre tutte le altre sono scomparse. Nel corso dei milioni di anni di evoluzione degli ominidi si è verificato un notevole incremento nelle dimensioni del cervello a partire da 1400 cm^3. L’espansione del cervello è stata accompagnata dallo sviluppo di comportamenti sempre più sofisticati è la ricerca contemporanea sulla biologia e la psicologia delle emozioni dimostra che la capacita umana di compassione e gentilezza è potente, forse la più potente e la più naturale nelle nostre tendenze comportamentali. ! La mente è l’insieme delle esperienze mentali ovvero le esperienze soggettive (in prima persona, interne) inclusi i nostri pensieri, sentimenti, percezioni (visive, uditive, olfattive, gustative, tattili) immagini mentali e senso del sé. La maggior parte dei neurobiologi, psicologi, scienziati cognitivi credono che non ci possa essere una mente senza qualcosa di simile a un cervello.! La coscienza si riferisce alla capacità di essere consapevoli, essere consapevoli delle nostre esperienze mentali, i nostri pensieri, sentimenti, percezioni. Esiste un modo di avere pensieri e sentimenti in assenza di consapevolezza e ciò si verifica ad esempio quando sogniamo dormendo.!

2. Sistemi nervosi e cervelli! É noto che un danno al cervello si associa a cambiamenti specifici nel funzionamento mentale. Il sistema nervoso è una rete all’interno del corpo con la funzione di gestire informazioni esterne ed interne. É specializzato nella rapida comunicazione di segnali in tutto il corpo, e il cervello è considerato la centrale di controllo del sistema nervoso. Si ritiene che gli animali possiedano sistemi nervosi per facilitare gli spostamenti nell’ambiente mentre le piante, i funghi, e gli altri regni di organismi non si spostano come gli animali e hanno evoluto altre soluzioni non neurali, per prosperare.! Gli encefali sono costituiti da due classi generali di cellule: neuroni e glia, e attualmente si stima che ci siano introno ai cento miliardi di cellule nervose. (neuroni) nell’encefalo umano e almeno lo stesso numero di cellule gliali (glia). ! La struttura di base di tutti gli encefali dei vertebrati è simile e si può rappresentare come mostrato nella figura. Gli spazi interni del tubo diventeranno i ventricoli (spazi interni pieni di liquido) nell’encefalo maturo. Le regioni embrionali del prosencefalo, mesencefalo, rombencefalo si espandono nell’encefalo maturo fino a contenere milioni di cellule organizzate. !

Il prosencefalo —> è dominato dal telencefalo! Il mesencefalo —> dal tetto ottico! Il rombencefalo —> da bulbo (midollo allungato) e cervelletto.! La grandezza del telencefalo aumenta in relazione al resto dell’encefalo, e nella struttura del telencefalo di molti mammiferi anziché essere liscio, il telencefalo presenta spesso protuberanze (giri) e infossamenti (solchi). Mentre topi, ratti e scoiattoli non mostrano queste pieghe cerebrali. ! Questo strato più esterno è chiamato corteccia cerebrale (cortex). Se la corteccia cerebrale potessero essere distesa su intavolo occuperebbe circa 2300 centimetri quadrati. ! L’encefalo mostra due vedute diverse: dorsale (dall’alto) e laterale, in cui vengono indicate alcune caratteristiche principali, tra cui i quattro lobi: frontale, parietale, occipitale, temporale. In realtà i lobi visibili sono otto, quattro nell’emisfero destro e quattro nell’emisfero sinistro.! Ci sono anche diverso solchi che vengono presi come punti di riferimento: ! il solco centrale —> separa il lobo frontale dal lobo parietale! La scissura laterale —> separa il lobo temporale dai lobi frontale e parietale! La scissura longitudinale (che è molto evidente) —> divide gli emisferi cerebrali destro e sinistro. ! L’encefalo mostra anche altre due diverse vedute: ventrale (da sotto) e mediale (l’interno visibile tagliando l’encefalo in due metà lungo la scissura longitudinale)! Il corpo calloso —> è un fascio di circa 200 milioni di fibre nervose, che connettono gli emisferi cerebrali destro e sinistro.! Il diencefalo —> una struttura posta tra la base della corteccia cerebrale e il mesencefalo, costituito principalmente da talamo e ipotalamo. Bulbo, ponte e mesencefalo sono collettivamente chiamati tronco dell’encefalo.! Rimuovendo la protezione ossea del cranio si può osservare l’encefalo ricoperto da uno strato di tessuto simile alla pelle chiamato dura madre (dura mater), al di sotto si rivela un altro strato di tessuto molto più delicato che copre l’encefalo e si chiama aracnoide (simile alla tela di un ragno). E al di sotto di questo si trova un terzo strato delicato chiamato pia madre (pia mater). Fra gli strati dell’aracnoide e della pia si trova lo spazio subaracnoideo che contiene il liquido cerebrospinale, il quale fa da cuscinetto per l’encefalo all’interno del cranio e trasporta sostanze solubili in tutto il sistema nervoso centrale.! Dura, aracnoide e pia vengono chiamate meningi, le quali se si infiammano provocano un’infezione chiamata meningite.! Vesalio notò che l’encefalo era altamente interconnesso con tutto il corpo tramite fasci di fibre:" alcune connettevano l’encefalo con gli organi di senso, altre l’encefalo con il cuore, polmoni e l’apparato digerente; altre connettevano il midollo spinale con i muscoli di tutto il corpo. !

Era probabile che l’encefalo e tutte le parti del corpo comunicassero tra loro in qualche modo." soggettive della mente."

viene inviato dal piede alla testa. Dalla testa, un altro segnale torna al piede e genera un movimento che provoca l’allontanamento della persona dal fuoco." Manifestiamo sempre comportamenti di questo tipo e Cartesio voleva capire come questo possa avvenire. “Come è possibile che siamo in grado di percepire il mondo, e come è possibile che le sensazioni fisiche conducano ad esperienze mentali?”" La luce viene catturata otticamente dall’occhio e i segnali vengono trasmessi all’encefalo. Ma poi?" Come possono le sensazioni fisiche prodotte dalla luce portare alla nostra percezione visiva e quindi alla nostra esperienza mentale del mondo?" Anche 4 secoli dopo la questione rimase irrisolta." Ora sappiamo che la segnalazione nel sistema nervoso è di natura essenzialmente elettrica." animali. Scoprì che le ciatele tagliate da rane morte potevano contrarsi quando venivano stimolate elettricamente e ipotizzò ! che il movimento dei muscoli avvenisse a seguito di forze elettriche interne che si possono innescare con la stimolazione elettrica." potenziale elettrico, il volt. ! La luce si poteva ora concettualizzare come un’onda di energia elettromagnetica che si propaga. L’elettricità stava diventando molto importante e sempre più fondamentale per tutta la fisica." una fibra nervosa, che risultò essere di circa 100 km all’ora nella preparazione da lui usata (il muscolo di una ciata di rana). ! Cosa sono le fibre nervose ?" Le cellule nervose hanno una struttura di base e una biochimica molto simili a quelle di tutte le cellule di tutti gli esseri viventi sulla Terra." Dentro la cellula troviamo troviamo i microfilamenti e microtubuli." Inoltre le cellule nervose sono caratterizzate da dendriti e assoni che sono specializzati nella comunicazione di segnali da una cellula all’altra." Le fibre nervose consistono principalmente in fasci di assoni." Analisi microscopiche dell’encefalo hanno rivelato che esso è composto da NEURONI e CELLULE GLIALI densamente impacchettati." Tale colorazione rendeva i neuroni, assieme a tutti i loro dendriti e assoni, distintamente

visibili al microscopio. I cristalli scuri del cromato d’argento colorano i neuroni per intero, rendendo visibili strutture molte minute; Se ogni neurone in una piccola porzione di tessuto si colorasse così, il risultato sarebbe un pasticcio di colore scuro; Golgi scopre che solo l’1 per cento circa dei neuroni vengono colorati e non si sa ancora il motivo." ossia implicava il movimento di particelle cariche e si riteneva che il cervello fosse in qualche modo centrale per il funzionamento della mente.!

3. Chimica e vita! Nella scienza contemporanea, chimica, sia la parola sia la disciplina, deriva da una parola e una disciplina più antica, alchimia che sostengono derivi dall’arabo al kamina.! La chimica è la scienza che si occupa della natura della materia e delle sue trasformazioni e la materia è formata da costituenti fondamentali, tra cui gli elementi chimici concettualizzati come atomi, i quali a loro volta sono comporti da protoni, neutroni ed elettroni, e la chimica studia come questi costituenti elementari ovvero gli atomi, interagiscono per formare entità più grandi chiamate molecole. ! Alcuni alchimisti ricercavano la pietra filosofale, una sostanza leggendaria che si credeva facilitasse la trasformazione dei metalli comuni come ferro e piombo in metalli preziosi come oro e argento, in questo contesto la pietra filosofale viene considerata un mezzo per l’auto-trasformazione, nonché il metodo grazie a cui l’alchimista raggiunge la piena integrità. ! Boyle e Newton —> si consideravano alchimisti ed era entrambi alla ricerca della pietra filosofale.! Lavoisier —> sviluppò una nomenclatura chimica che è tuttora in uso e compilò quella che riteneva essere una lista completa di tutti gli elementi chimici a quel tempo. ! Mendeleev —> propone un modo per organizzare gli elementi chimici noti in quella che ora chiamiamo tavola periodica. L’identità di un elemento è determinata dal numero dei protoni (un tipo di particella subatomica con carica positiva). ! La vita sulla terra è basata sul carbonio anche se la maggior parte degli organismi viventi è composta principalmente da acqua. Una molecola d’acqua è composta da due atomi di idrogeno e un atomo di ossigeno: H2O e un comune corpo umano è composto al 65% da acqua (l’ossigeno si trova in cima alla lista per la presenza di tutta quell’acqua. Mentre se rappresentiamo la lista degli elementi in termini di numero di atomi (piuttosto che in percentuale di peso) presenti in un corpo umano vivente, allora l’idrogeno sarebbe il primo elemento.! Per quanto riguarda un atomo: gli ioni sono atomi con carica, formati in seguito all’acquisizione o alla perdita di uno o più elettroni da parte dell’atomo originario; pertanto gli ioni hanno una carica netta negativa o positiva. La tavola periodica ha il vantaggio che ci mostra gli elementi e capiamo se è probabile che perda elettroni e diventi uno ione positivo (catione) oppure che prenda elettroni e diventi uno ione negativo (anione). Gli elementi all’estremità sinistra della tabella rilasciano facilmente elettroni, diventando

cationi mentre gli elementi all’estremità destra della tabella tendono a prendere elettroni diventando anioni.! Legame chimico covalente = condivisione di elettroni tra atomi. Esistono anche molecole relativamente piccole ma più grandi della molecola d’acqua come la fluoxetina —> sostanza sintetizzata dai chimici e commercializzata come trattamento per il disturbo dell’umore chiamato depressione. Negli Stati Uniti la fluoxetina è associata a nome di Prozac. ! Le molecole principali sono composte da carbonio e idrogeno e possono contenere migliaia di atomi. ! L’idrogeno —> ha un solo elettrone da condividere e quindi può formare un solo legame chimico per volta e può fissarsi solo ai margini. ! Il carbonio —> invece ha quattro elettroni disponibili per la condivisione, e ogni atomo di carbonio può formare quattro legami ed essere legato in modo covalente a un massimo di quattro atomi. ! Le molecole organiche composte solo da carbonio e idrogeno —> sono chiamate idrocarburi ! La combinazione più semplice di carbonio e idrogeno consiste in un singolo atomo di carbonio legato a quattro atomi di idrogeno —> metano.! La combinazione di due atomi di carbonio e sei atomi di idrogeno —> propano! Quattro atomi di carbonio e dieci atomi di idrogeno —> butano! Cinque atomi di carbonio —> pentano! Sei atomi di carbonio —> esano ! Sette atomi di carbonio —> eptano ! Otto atomi di carbonio —> ottano ! Con l’aumentare del numero di atomi di carbonio, i liquidi sviluppano una consistenza oleosa e diventano progressivamente più densi. Quando il numero di atomi di carbonio raggiunge i venti o più, la sostanza risultante è un soldo ceroso.! Tutte queste molecole sono combustibili —> assai possono bruciare in presenza di ossigeno, rilasciando energia quando si rompono i legami covalenti, che uniscono gli atomi di carbonio agli atomi di idrogeno. ! Carbonio possiede la capacità di legarsi con altri atomi condividendo più di un elettrone e per il legame carbonio-carbonio si forma ciò che viene chiamato un doppio legame.! Anche l’etilene è un gas combustibile e le molecole vengono unite in lunghe catene (polimeri) dalle forme più varie. La disposizione delle molecole di carbonio negli idrocarburi non è sempre lineare:! - le catene di atomi di carbonio possono ramificarsi! - la catena di atomi di carbonio può persino ripiegarsi su se stessa e formare un anello chiuso. Un esempio di cicloesano è la molecola di benzene —> che contiene sei atomi di carbonio in una struttura ad anello con sei atomi di idrogeno.! Kekulé suggerì una nuova struttura per il benzene: nel benzene tutti i legami tra atomi di carbonio sono equivalenti e hanno una forza più o meno intermedia tra quella dei legami singoli e quella dei legami doppi. Gli elettroni condivisi sono meglio descritti come appartenenti ad orbitali molecolari che comprendono l’intera struttura ad anello. Il

benzene si presenta spesso come parte delle strutture più grandi di molte molecole biologiche e due molecole famose che troviamo nel cervello sono: i neurotrasmettitori domina e serotonina.! É l’unicità delle loro forme geometriche a determinare le proprietà di molecole specifiche all’interno, ad esempio, del sistema nervoso umano.! Le regole per disegnare e interpretare i diagrammi si struttura molecolare:! - I legami covalenti sono disegnati come linee —> ogni linea (legame) possiede un atomo di carbonio a ciascuna estremità, a meno che non sia esplicitamente indicato un altro atomo! - Poiché sappiamo che il carbonio forma quattro legami, qualsiasi legame che non venga esplicitamente mostrato si assume che sia l’idrogeno.! Una ragione cruciale per cui l’acqua è così importante dei sistemi viventi è la sua straordinaria efficacia nel dissolvere sostanze e questa capacità deriva da una sua nota proprietà: la polarità.! Nella molecola d’acqua gli atomi di idrogeno che si trovano nella parte sinistra della tavola periodica, tendono a rilasciare il proprio elettrone e assumere carica positiva. L’ossigeno che si trova nella parte destra della tavola periodica, tende ad acquisire elettroni e assumere carica negativa. Il risultato di queste tendenze è che quando gli elettroni formano legami covalenti nell’acqua sono distribuiti negli orbitali molecolari che descrivono i legami, essi trascorrono essenzialmente più tempo vicino a all’atomo di ossigeno e meno tempo vicino agli atomi di idrogeno —> quindi l’atomo di ossigeno dell’acqua assume carica leggermente negativa e gli atomi di idrogeno dell’acqua assumono carica leggermente positiva —> è ciò che si intende per polarità. Polare indica la presenza di una separazione. A cauda sella polarità, le molecole dell’acqua si attaccano debolmente l’una all’altra e questo fenomeno è chiamato legame a idrogeno (viene indicato con linee tratteggiate). ! Il legame a idrogeno non è covalente, quindi non implica la condivisione di elettroni. Al punto di ebollizione il tremore delle particelle diventa così vigoroso da spezzare il legame idrogeno tra le molecole d’acqua, e le molecole di H2O si disperdono sotto forma di vapor acqueo. Raffreddando l’acqua, la vibrazione molecolare diminuisce finché, al punto di congelamento, le molecole d’acqua si bloccano in una matrice rigida interconnessa da legami idrogeno (il ghiaccio).! L’acqua si espande quando congela perché la rigida matrice di legami di idrogeno occupa leggermente più spazio di quando le molecole di acqua scivolano e scorrono l’una sull’altra nel loro stato liquido. La polarità dell’acqua spiega anche la sua sorprendente abilita nel dissolvere molte cose, ioni inclusi. ! es. un atomo di sodio (Na) che proviene dalla parte sinistra della tavola periodica, perde molto facilmente un elettrone formando un catione di sodio con carica positiva (Na+). Un atomo di cloro, che proviene dalla parte destra della tavola periodica, acquisisce molto facilmente un elettrone formando un anione di cloro con carica negativa (Cl-). In assenza d’acqua, NaCl è una struttura estremamente stabile. Tuttavia, se si introduce anche una piccola quantità d’acqua, il NaCl comincerà a dissolversi —> questo esempio mostra la

straordinaria abilità dell’acqua nel dissolvere. L’acqua, una molecola polare, dissolve altre molecole che hanno polarità o carica.! Le molecole che amano associarsi all’acqua sono chiamate —> idrofile, ovvero le sostanze idrofile amano stare vicino all’acqua, e l’acqua ama stare vicino ad esse! Al contrario gli idrocarburi che non si dissolvono in acqua (ricordando acqua e olio non si mescolano).! Le molecole che non si dissolvono nell’acqua —> idrofobe. ! Quindi le sostanze idrofile amano associarsi ad altre sostanze idrofile, e le sostanze idrofobe amano associarsi ad altre sostanze idrofobe.! Le cellule sono le unita organizzative fondamentali di tutti gli organismi viventi conosciuti. Ci sono caratteristiche comuni a tutte le cellule:! - presenza di una membrana delimitante (doppio strato fosfolipidico)! - Materiale genetico ( composto da acidi nucleici) ! - Strutture ribosomali (per l sintesi delle proteine)! - Recettori proteici ! - Pompe e canali di una cellula! Materiali costitutivi della cellula —> sono le molecole ! Esistono 4 tipi di molecole biologiche:! - Lipidi! - Proteine! - Carboidrati! - Acidi nucleici! 1. Lipidi o grassi ! Sono molecole di media grandezza composte principalmente da atomi di carbonio e di idrogeno disposti in lunghe catene da 16 a 24 atomi di carbonio.! Il loro ruolo è quello di immagazzinare energia (i legami carbonio-carbonio e carbonioidrogeno nella molecola contengono molta energia)! Un acido grasso è un tipo di molecola lipidica costituita da una catena di idrocarburi con un gruppo acido carbossilico a una delle estremità.! Es. acido palmizio —> grasso saturo perché non vi sono doppi legami ed è un acido molto comune nelle piante e animali.! Es. acido oleico —> grasso instauro o monoinsaturo perché contiene un doppio legame, la composizione chimica dell’olio d’oliva consiste per più del 50% di acido oleico.! Lipidi hanno una natura idrofoba e preferiscono accompagnarsi ad altri lipidi piuttosto che all’acqua. Lipofilo —> che ama i lipidi è sinonimo di idrofobo. Viceversa, lipofobo è sinonimo di idrofilo. Acqua e olio non si mescolano.! I fosfolipidi rivestono un ruolo all’interno degli organismi viventi. É composta da due catene di atomi di carbonio e idrogeno (da 16 a 24 atomi di c), unite tra loro a un’estremità da un gruppo di atomi che contengono: carbonio, idrogeno, ossigeno, fosforo, azoto. Questi ultimi romano Egadi polari e a volte possiedono persino carica elettrica. Fosfolipidi hanno:!

una porzione altamente idrofila —> il gruppo di testa polare e elettricamente carico contenente fosforo! una porzione altamente idrofoba —> le due lunghe catene non polari di idrocarburi o gruppi di cosa ! Le teste idrofile —> ricercano il contatto con l’ambiente acquoso ! Le cose idrofobe —> evitano il contatto con l’ambiente acquoso! Pertanto si forma un doppio strato di molecole fosfolipidiche, di cui le teste idrofile costituiscono la superficie esterna mentre le code idrofobe rimangono all’interno degli strati.! 2. Proteine ! Sono grandi molecole costituite da amminoacidi connessi in lunghe catene tramite legami chimici covalenti, chiamati legami peptidici.! Un amminoacido è una molecola che contiene sia un gruppo amminico sia un carbossile. Si caratterizzano per il fatto che gruppo amminic...