Riassunto libro \"Neuroscienze. Esplorando il cervello\", Bears, Connors, Paradiso PDF

Preview

Summary

Il documento contiene il riassunto degli argomenti trattati nel corso di Psicobiologia del docente Angrilli del libro "Neuroscienze. Esplorando il cervello"....

Description

Capitolo 1 INTRODUZIONE ALLE NEUROSCIENZE Anche i primi ominidi 7000 anni fa consideravano il cervello come un organo importante, ma comunque anche nell'antico Egitto la sede dell'anima e della memoria veniva considerata il cuore. Antica Grecia → il cervello è l'organo della percezione e dell'intelligenza secondo Ippocrate, anche se Aristotele credeva che il cuore fosse la sede dell'intelletto e che il cervello funzionasse da “radiatore” per il raffreddamento del sangue in ebollizione proveniente dal cuore. Impero Romano → figura più importante è il medico Galeno che tentò di dedurre la funzione dell'encefalo e del cervelletto dalla loro struttura. Galeno dedusse che l'encefalo era la sede dell'immagazzinamento grazie alla sua consistenza morbida, mentre il cervelletto che era più duro doveva comandare i muscoli. Galeno aprì il cervello che era cavo e in questi spazi cavi (ventricoli) c'era un fluido che interpretò come i 4 fluidi vitali (umori). Rinascimento – XIX secolo → Galeno prevalse per 1500 anni e Andrea Vesalio nel Rinascimento ne aggiunse particolari. Cartesio è il principale teorico della teoria fluido-meccanica, per lui le capacità mentali esistevano al di fuori della mente. Nel XVII secolo gli scienziati si scostarono dalle idee di Galeno e osservarono che il tessuto celebrale era suddiviso nella sostanza bianca e in quella grigia. Sostanza bianca: è continua con i nervi del corpo e contiene le fibre che convogliavano da e alla materia grigia. In neuroanatomia è stato osservato che poteva essere identificata la stessa distribuzione di protuberanze (giri) e avvallamenti (solchi o fessure) sulla superficie dell'encefalo. XIX secolo → conoscenze apprese sul cervello: – le lesioni al cervello possono distruggere le facoltà mentali e provocare la morte. – Il cervello comunica col corpo attraverso i nervi. – Si costituisce di diverse parti che presiedono a funzioni differenti. – Il cervello opera come una macchina. Nervi come fili → Galvani e Reymond scoprono che i muscoli si contraggono quando i nervi vengono stimolati elettricamente e rimpiazzò l'idea della meccanica dei fluidi. Comunicazione bidirezionale dei nervi è data dal fatto che quando un nervo del corpo viene reciso si perde sia la capacità di muoversi sia quella di essere sensibili (all'interno di ogni nervo esistono numerosi filamenti sottili o fibre nervose). Bell e Magendie scoprirono che all'interno di ogni nervo esiste una mescolanza di fili che portano informazioni al cervello e al midollo spinale mentre altri inviano informazioni verso i muscoli, quando entrano od escono si separano automaticamente. Metodo di ablazione sperimentale: sistematica distruzione delle regioni del cervello per determinarne la funzione. Frenologia; metodo inventato da Gall che metteva in correlazione la struttura della testa con i tratti della personalità. Paul Broca ebbe il merito di scoprire che precise aree del cervello corrispondono a determinate funzioni. L'evoluzione del sistema nervoso → Darwin articolò la teoria dell'evoluzione (le specie dei vari organismi evolsero da un antenato comune). Il comportamento è una delle caratteristiche ereditabili e suscettibili di evoluzione.

Il neurone → il microscopio offrì una opportunità per esaminare i tessuti animali nel 1800. Si fa largo la teoria cellulare: tutti i tessuti sono costituiti da unità microscopiche chiamate cellule (Schwann). Livelli di analisi delle neuroscienze oggi: – Neuroscienza molecolare – Neuroscienza cellulare – Neuroscienza dei sistemi – Neuroscienza comportamentale – Neuroscienza cognitiva Fasi del metodo scientifico: – Osservazione – Replicazione – Interpretazione – Verifica Capitolo 2 I NEURONI E LE CELLULE GLIALI Molte cellule variano da 0.01 a 0.05 mm di diametro. → difficoltà a studiarle. Il tessuto celebrale ha la consistenza di una sfera gelatinosa e non abbastanza compatta per preparare delle fettine sottili da esaminare → vennero quindi usate delle tinture per colorare parti del tessuto celebrale: – Colorante di Nissl → colora i nuclei delle cellule e i gruppi di materiale che circondano questi nuclei (corpi di Nissl). È in grado di distinguere i neuroni dalle cellule gliali e permette di studiare la citoarchitettura. – Colorante di Golgi → mostra che i neuroni hanno almeno due parti distinguibili: una regione centrale (nucleo della cellula) e numerosi piccoli tubicini. Cayal usò il colorante di Golgi e scoprì che i neuriti (assoni e dendriti) non sono connessi in maniera continua ma per contatto (teoria del neurone). Neurone prototipico, è composto da: – Soma → è la parte centrale del neurone, di circa 20 μm. Il fluido all'interno viene chiamato citosol (soluzione ricca di potassio). Insieme al soma ci sono gli organuli: 1. Nucleo: è sferico e misura 5-10 μm ed è rivestito dalla membrana nucleare (perforata da pori di 0.1 μm di larghezza. All'interno del nucleo ci sono i cromosomi che contengono il DNA. Ciò che distingue un neurone da un'altra cellula sono i geni (specifiche porzioni di DNA). Espressione genica → lettura del DNA che permette di sintetizzare le proteine attraverso l'mRNA con la sintesi proteica. L'assemblaggio di un mRNA viene chiamato trascrizione → mRNA trascritto. Gene ha un promotore, dove l'RNA polimerasi si attacca per la sintesi dell'mRNA. I fattori di trascrizione sono proteine che sono indispensabili per la polimerasi. Ci sono anche gli introni e gli esoni durante la codifica. Questi grazie ad un processo di splicing vengono fusi insieme mentre gli introni vengono rimossi. La trascrizione di un singolo gene può generare diversi tipi di mRNA e di proteine. DNA → trascrizione → mRNA → traduzione (20 amminoacidi) → Proteina 2. RER (Reticolo Endoplasmatico Rugoso): sono gruppi di ribosomi (dense strutture globulari) di circa 25 nm di diametro.

Sono molto presenti nei neuroni più che nella glia o nelle altre cellule non neuronali. Il RER sintetizza gran parte delle proteine di un neurone, infatti gli mRNA si legano ad un ribosoma per assemblare una molecola proteica. Ci sono anche ribosomi liberi, i quali, al contrario dei ribosomi del RER, tendono a tenere le proteine nel citosol. 3. REL (Reticolo Endoplasmatico Liscio): compie diverse funzioni, alcuni REL e RER stanno assieme per assemblare le proteine, mentre altri non hanno un ruolo diretto nell'assemblamento delle proteine, ma regolano determinate sostanze (calcio). 4. Apparato di Golgi: sito di elaborazione chimica dopo la sintesi proteica. Seleziona certe proteine che sono destinate a determinate parti del neurone (dendriti e assoni). 5. Mitocondrio: misura circa 1 μm e ha una forma a salsiccia. All'interno vi sono delle creste, e tra di esse c'è un liquido detto matrice. I mitocondri sono la sede della respirazione cellulare (inspira acido piruvico e ossigeno e produce ATP). 6. Membrana neuronale: serve come barriera per contenere il citoplasma all'interno del neurone (5 nm). 7. Citoscheletro: dà al neurone la sua caratteristica forma e viene sostenuto da microtubuli, microfilamenti e neurofilamenti. 1. Microtubuli → hanno grandi dimensioni (20 nm) e si distribuiscono longitudinalmente in direzione dei neuriti. Ciascun “cavo” è formato da tubulina che si unisce per polimerizzazione con altre proteine di tubulina. Le MAP sono proteine che partecipano all'assemblaggio e alla regolazione dei microtubuli 2. Microfilamenti → hanno lo stesso spessore della membrana cellulare (5 nm). Si trovano in ogni parte del neurone e sono delle “trecce” di cavi sottili di actina. Sono coinvolti nel meccanismo di contrazione muscolare. 3. Neurofilamenti → esistono nelle cellule di tutto il corpo con il nome di filamenti intermedi (10 nm). Hanno 3 cavi proteici tessuti insieme e sono costituiti da lunghe molecole di proteine dando origine a una struttura molto solida. – L'assone → è una struttura specializzata per il trasporto dell'informazione a distanza nel sistema nervoso. L'assone comincia con il cono di integrazione (zona di Spike), che si distingue dal soma per: 1. Non si estende nessun RER nell'assone oppure ci sono solo pochi ribosomi liberi. 2. La membrana assonica è differente da quella somatica. Dato che manca il RER non c'è nessuna sintesi proteica (proteine si generano nel soma). Gli assoni spesso si ramificano (assoni collaterali). Assoni collaterali ricorrenti: un assone efferente si ramificherà e il collaterale ritorna indietro per diventare afferente della medesima cellula che ha dato origine all'assone. Il diametro dell'assone va da 1µm a circa 25 μm negli esseri umani. L'impulso nervoso varia a seconda del diametro assonico (più è grande più va veloce). La parte finale viene chiamata bottone terminale e il punto di contatto è chiamato sinapsi. A volte gli assoni hanno parecchie ramificazioni nelle loro parti finali (arborizzazione dendritica con bottone sinaptico terminale). Quando un neurone fa sinapsi con un'altra cellula si dice che la innerva. Citoplasma del terminale assonico diverso da quello dell'assone perché: 1. i microtubuli non si estendono nel terminale 2. il terminale contiene le vescicole sinaptiche (50 nm) 3. la superficie interna della membrana ha una copertura densa di proteine 4. il terminale assonico è caratterizzato da numerosi mitocondri che indicano una grossa richiesta di energia. La sinapsi ha una parte presinaptica e una postsinaptica, lo spazio tra di esse viene chiamato spazio intersinaptico. La trasmissione sinaptica avviene così: Segnale elettrico → segnale chimico → segnale elettrico

–

–

Gli assoni non sopravvivono senza il corpo cellulare a causa dell'assenza di ribosomi (degenerazione walleriana). Il movimento di materiale verso l'assone dal corpo cellulare viene chiamato trasporto assoplasmatico (chinesina → soma verso terminale (trasporto anterogrado); dineina → terminale verso il soma (trasporto retrogrado)). Dendriti → i dendriti di un solo neurone formano l'albero dendritico. Funzionano come le antenne del neurone e sono coperti da migliaia di sinapsi. La membrana dendritica possiede parecchie molecole di proteine chiamate recettori. I dendriti di alcuni neuroni sono ricoperti da spine dendritiche che ricevono alcuni tipi di input sinaptico. Citoplasma dei dendriti assomiglia a quello degli assoni. La trasmissione sinaptica può dirigere in alcuni neuroni la sintesi proteica locale. Tipi di neuroni: 1. unipolare (un singolo neurite). 2. bipolare (due neuriti) 3. multipolare (tre o più neuriti) Classificazione dendritica: nella corteccia celebrale ci sono due ampie classi di dendriti: cellule piramidali e cellule stellate che possono essere spinose o no. Classificazione basata su connessioni: 1. neuroni sensitivi primari 2. motoneuroni 3. interneuroni Classificazione basata sulla lunghezza dell'assone: 1. neuroni tipo I di Golgi (lunghi) 2. Neuroni tipo II Golgi (corti, neuroni a circuito locale) Classificazione basata sul neurotrasmettitore: gruppi di cellule che usano un neurotrasmettitore comune costituiscono un sistema. Glia → sostiene i processi neuronali, il maggior numero di cellule gliali è dato dagli astrociti che riempiono lo spazio tra i neuroni (20 nm). Regolano il contenuto chimico dello spazio extracellulare e ne permettono la corretta funzione. L'oligodendroglia produce le cellule di Schwann (isolante degli assoni) che sono intervallate dai nodi di Ranvier. L'involucro quindi viene chiamato guaina mielinica e propaga gli impulsi in maniera più veloce. Altre cellule non neuronali sono le cellule ependimali che forniscono il rivestimento pieno di fluido all'interno del cervello e determinano la migrazione cellulare durante lo sviluppo celebrale. Le microglia invece servono per eliminare gli avanzi di neuroni e di glia morti.

Capitolo 3 LA MEMBRANA DEL NEURONE A RIPOSO I costituenti chimici: – Citosol e fluido extracellulare: 1. Acqua → la parte più importante della molecola di acqua è l'ineguale distribuzione di carica elettrica. È tenuta assieme da legami covalenti polari ed è polare. 2. Ioni → atomi/molecole che hanno una carica elettrica netta sono chiamati ioni. Quando due ioni hanno una carica elettrica opposta e sono attratti si ha un legame ionico (legame molto forte). La carica elettrica di un atomo dipende dalla differenza tra il numero di protoni e di elettroni (+ cationi; - anioni). I cationi monovalenti più importanti per la neurofisiologia sono: Sodio (Na); potassio (K);

–

–

calcio (Ca); Cloro (Cl). Membrana fosfolipidica: ioni e molecole polari sono idrofile, mentre gli ioni e le molecole non polari sono idrofobi. Doppio strato fosfolipidico → formano una lunga catena non polare formata da atomi di carbonio legati ad atomi di idrogeno e in più hanno un gruppo fosfato polare (testa polare (contenente fosfati) e una non polare (contenente idrocarburi)). Proteine: enzimi, recettori, citoscheletro sono tutte proteine. Sono assemblate a partire da 20 amminoacidi differenti (1 carbonio; 1 idrogeno; 1 gruppo amminoacidico (NH3); 1 gruppo carbossilico; 1 gruppo R). Quattro livelli della struttura delle proteine: 1. Struttura primaria → gli aminoacidi sono connessi tra loro da legami peptidici. 2. Struttura secondaria → la proteina della struttura primaria si attorciglia nella configurazione di alfa elica. 3. Struttura terziaria → la proteina, grazie all'interazione dei gruppi R, può assumere una forma globulare. 4. Struttura quaternaria → differenti catene polipeptidiche possono legarsi assieme per formare una molecola più grande. Canali proteici: la superficie esposta di una proteina può risultare chimicamente eterogenea. I canali ionici attraversano la membrana e richiede da 4 a 6 molecole proteiche per formare un poro. Una proprietà importante per molti canali ionici è la selettività ionica (definita dal diametro del poro e dal gruppo R). Un'altra importante proprietà è la variabilità all'accesso o dipendenza (i canali si aprono e si chiudono in base al microambiente locale della membrana). Le pompe ioniche: sono enzimi che usano l'energia rilasciata dall'idrolisi dell'ATP per trasportare determinati ioni attraverso la membrana.

Movimento degli ioni: – Diffusione → ioni e molecole quando sono in costante movimento si sciolgono in acqua. Il movimento casuale dipende dalla temperatura. Il movimento di ioni va dalla regione ad alta concentrazione a quella di minor concentrazione (gradiente di concentrazione). – Elettricità → l'elettricità induce un movimento di ioni in una soluzione, poiché sono particelle elettricamente cariche. La quantità di cariche elettriche in movimento è detta corrente elettrica (ampere). I due fattori che determinano la quantità di corrente che scorrerà sono: 1. Potenziale elettrico → forza esercitata su una particella carica 2. Conduttanza elettrica → facilità con cui una carica elettrica passa da un punto all'altro Legge di Ohm: relazione tra potenziale, conduttanza, quantità di corrente (conduttanza = 0 → nessun flusso di corrente; differenza di potenziale = 0 → nessun flusso di corrente) la conduzione elettrica di ioni attraverso la membrana richiede che la membrana possieda canali permeabili a quella specie ionica e che ci sia una differenza di potenziale elettrico attraverso la membrana. Potenziale di membrana (Vm) viene misurato inserendo un microelettrodo nel citoplasma. Il Potenziale di riposo tipico di un neurone è -65 mV. Potenziale di equilibrio ionico (Eion) → differenza di potenziale elettrico che equilibra esattamente un gradiente di concentrazione ionica: 1. Significativi cambiamenti di potenziale di membrana sono causati da minuscoli cambiamenti di concentrazione ionica. 2. E' necessaria una differenza netta di carica elettrica tra la superficie interna ed esterna della membrana (carica netta negativa si concentra sul versante interno della membrana). 3. La quantità di ioni che si dirigono attraverso la membrana è proporzionale alla differenza tra il potenziale di membrana e il potenziale di equilibrio (forza di conduzione ionica).

4. Se la differenza di concentrazione attraverso la membrana è nota, si può calcolare il potenziale di equilibrio di ciascuno ione. Equazione di Nerst: conoscendo la carica dello ione e la differenza di concentrazione attraverso la membrana, è possibile dedurre facilmente se l'interno della cellula sia positivo o negativo al potenziale di equilibrio. K è concentrato più all'interno, mentre Na e Ca sono più concentrati all'esterno. Pompa sodio-potassio: è un enzima che idrolizza ATP in presenza di Na all'interno della cellula. L'energia chimica liberata da questa reazione mette in funzione la pompa, che scambia Na interni con K esterni. Pompa calcio: enzima che trasporta attivamente Ca fuori dal citoplasma attraverso la membrana cellulare. Senza pompe ioniche il potenziale di membrana a riposo non esisterebbe e il cervello non potrebbe funzionare. Potenziale di membrana a riposo può essere calcolato utilizzando l'equazione di Goldman → selettività per gli ioni K dipende dalla disposizione dei residui aminoacidici lungo la regione del poro all'interno del canale. La maggior parte dei canali del potassio ha 4 subunità che formano un poro → ripiegamento del poro contribuisce al filtro di selettività che rende il canale permeabile principalmente agli ioni K → mutazioni su un singolo aminoacido di questa regione possono alterare gravemente la funzionalità neuronale. Alta permeabilità del K è che il potenziale di membrana è particolarmente sensibile ai cambiamenti di concentrazione del potassio extracellulare → incremento del potassio extracellulare depolarizza i neuroni (e importante è per la barriera ematoencefalica) → anche la glia (e in particolare gli astrociti) possiedono meccanismi efficienti per assorbire il K extracellulare quando la sua concentrazione aumenta. Capitolo 4 IL POTENZIALE D'AZIONE Potenziale d'azione caratterizzato da: – fase crescente → rapida depolarizzazione della membrana (fino a 40 mV). – Potenziale a punta → parte del potenziale d'azione in cui l'interno del neurone è caricato positivamente – fase decrescente → rapida ripolarizzazione che porta la membrana a diventare più negativa del potenziale di riposo. – Iperpolarizzazione → ultima fase che riporta a potenziale di riposo la membrana. Catena degli eventi della percezione di uno stimolo: 1) lo stimolo penetra (o preme) la pelle. 2) Membrana delle fibre nervose viene messa in tensione 3) i canali permeabili al sodio (Na) si aprono 4) gli ioni Na entrano nella fibra attraverso questi canali a causa del grande gradiente di concentrazione e della carica negativa del citosol. 5) Entrata di ioni Na depolarizza la membrana → potenziale generatore (se raggiunge un

livello critico) → soglia. Se facciamo passare continuamente corrente depolarizzante in un neurone attraverso un microelettrodo, si genereranno molti potenziali in successione. Se si passa sufficientemente corrente per depolarizzare un neurone al livello di soglia (ma non oltre), la cellula genererà dei potenziali d'azione alla frequenza di 1 Hz → la frequenza di scarica dei potenziali d'azione riflette l'intensità della corrente depolarizzante. Esiste un limite alla frequenza depolarizzante (1000 Hz), una volta che il potenziale d'azione è cominciato, è impossibile iniziarne un altro per almeno 1 msec (periodo refrattario assoluto). Dopo il periodo refrattario assoluto risulta difficile creare un altro potenziale d'azione poiché servirebbe più elettricità (periodo refrattario relativo). Depolarizzazione della cellula durante il potenziale d'azione è causata dall'entrata di ioni sodio attraverso la membrana, la ripolarizzazione è dovuta all'uscita di ioni potassio. Canale voltaggio dipendente selettivo per il sodio: proteina che forma un poro nella membrana altamente selettivo agli ioni Na. È formato da un singolo e lungo polipeptide e ha 4 distinte sequenze (I – IV) ciascuna delle quali consiste di sei tratti intramembranosi ad alfa elica numerati (S1 – S6). Le quattro sequenze formano un poro, chiuso al potenziale di riposo negativo. Quando la membrana viene depolarizzata al livello di soglia la molecola si deforma assumendo una configurazione che permette il passaggio di Na attraverso il poro. Quando passano il canale gli ioni Na sembra non abbiano più acqua ma invece è presente in minime quantità per far passare lo ione → complesso ione-acqua può essere usato per se...