Neuroscienze: Neuroimaging e Cellule Nervose

Neuroscienze e Metodi di Neuroimaging

• Le neuroscienze studiano il cervello umano in vivo attraverso metodi di neuroimaging.
• Si distinguono metodi strutturali e funzionali.
• Tecniche che forniscono informazioni sulla morfologia del cervello e delle sue componenti sono chiamati Metodi Strutturali.

Metodi Strutturali

• La radiografia con o senza mezzo di contrasto evidenzia i ventricoli cerebrali o il sistema circolatorio.
• Variazioni ventricolari o corticali possono indicare degenerazione cerebrale, masse estranee (tumori) o malformazioni circolatorie (aneurismi).
• La tomografia Assiale Computerizzata (TAC) fornisce una rappresentazione tridimensionale del cervello elaborando immagini bidimensionali, rilevando neoplasie e masse tumorali.
• La risonanza magnetica nucleare (NMR) utilizza un campo magnetico per acquisire scansioni multiplanari, cioè su tutti e tre gli assi dimensionali.

Metodi Funzionali

• Tecniche forniscono informazioni sul funzionamento del cervello basandosi sulla misurazione del flusso sanguigno o del metabolismo cerebrale sono chiamati Metodi Funzionali.
• Il cerebral Blood Flow (CBF) consiste nella misurazione del flusso sanguigno cerebrale tramite la distribuzione di un isotopo radioattivo iniettato nel circolo cerebrale.
• La tomografia a emissione di singoli fotoni (SPECT) acquisisce informazioni sia strutturali che funzionali.
• La tomografia a emissione di positroni (PET) inietta 18F-FDG nell'arteria carotidea, captato dai neuroni più attivi, durante compiti come scrivere, leggere, parlare, etc.
• La fMRI (Risonanza Magnetica Funzionale) evidenzia le variazioni del flusso sanguigno e dell'ossigenazione nel cervello, correlate all'attività cerebrale, senza necessità di iniettare sostanze, poiché l'emoglobina funge da mezzo di contrasto endogeno.
• I vantaggi della fMRI rispetto alla PET includono l'assenza di iniezioni, la fornitura di informazioni funzionali e morfologiche nella stessa immagine, una risoluzione spaziale più elevata e la possibilità di ottenere immagini tridimensionali dell'attività cerebrale.
• La Diffusion Tensor Imaging (DTI) individua le vie di diffusione delle molecole d'acqua, identificando i maggiori "tratti" o vie assonali del cervello.

Il Neurone: Struttura e Funzione

• I neuroni sono le unità fondamentali del tessuto nervoso, specializzate nella ricezione, conduzione e trasmissione di segnali elettrochimici.
• Le dimensioni dei neuroni variano da 10 a 50 micron di diametro.
• I neuroni contengono citosol, nucleo e organuli specializzati per funzioni cellulari specifiche.
• Il citosol è una sostanza gelatinosa semiliquida che riempie lo spazio delimitato dalla membrana e contiene proteine e altre molecole necessarie per il funzionamento degli organelli.
• Il citosol assume un ruolo importante dato che al suo interno avviene la maggior parte del metabolismo cellulare.
• Il nucleo contenuto all'interno di un doppio involucro, la membrana nucleare.
• All’interno del nucleo ci sono i cromosomi che contengono il materiale genetico, misura 5-10 micron.
• Le proteine svolgono tantissime funzioni, come recettori, enzimi e ruoli strutturali, e sono prodotte attraverso il processo di traduzione.
• Le mutazioni possono alterare l'espressione o la funzione neuronale.

Patologie e Componenti Neuronali

• La Corea di Huntington causa disturbi motori (corea) e psichici, con compromissione delle capacità intellettive e progressione a uno stato vegetativo.
• La Corea di Huntington è trasmessa da un gene autosomico dominante causata della mutazione nel gene HTT che produce una ripetizione anomala di una specifica sequenza di DNA.
• Le aree inizialmente colpite quelle interne che progrediscono poi sulla corteccia più superficiale.
• L'apparato del Golgi distribuisce le proteine nei loci appropriati del neurone.
• I mitocondri sono la sede della respirazione cellulare.
• La membrana neuronale è un doppio strato fosfolipidico con teste polari (idrofile) e code non polari (idrofobe) spesso 5 nm.

Pompe Ioniche e Citoscheletro

• Oltre ai canali ionici, esistono pompe ioniche che usano l'energia dell'ATP per trasportare ioni attraverso la membrana.
• Le pompe ioniche svolgono un ruolo critico nella trasmissione dei segnali nervosi.
• Il citoscheletro dà forma ai neuroni ed ha come componenti principali i microtubuli (20nm), i neurofilamenti (10 nm) e i microfilamenti (5nm), tutti di natura proteica.
• Il citoscheletro regola dinamicamente i suoi elementi in risposta a segnali specifici.
• Alterazioni del citoscheletro possono avere un ruolo nella malattia di Alzheimer.

Assone e Differenze Strutturali

• Esistono proteine associate ai microtubuli (MAP).
• Le proteine MAP (proteine associate ai microtubuli), ancorano i microtubuli l'uno all'altro, sono importanti per la regolazione dell'assemblaggio dei microtubuli.
• Nell'Alzheimer modificazioni patologiche in una MAP assonale, denominata Tau, sono state implicate nella demenza.
• Causa dell'Alzheimer: accumulo anomalo con conseguente formazione di depositi, di una proteina detta beta-amiloide.
• L'assone, specializzato nella trasmissione dei segnali dal centro alla periferia, è composto da cono di integrazione, assone propriamente detto e bottone terminale/sinaptico.
• A differenza del soma, l'assone non ha sintesi proteica, quindi le proteine devono originarsi nel soma ed essere trasportate.

Sinapsi, Trasporto Assoplasmatico e Differenze Assonali

• La composizione della membrana assonica differisce da quella somatica, fungendo da "filo telegrafico" per la trasmissione di informazioni a distanza.
• Le caratteristiche assoniche includono lunghezza (1mm-1m), diametro (1um-25um) e ramificazioni (collaterali assonici e collaterali ricorrenti).
• Il citoplasma del terminale assonico differisce da quello assonico per l'assenza di microtubuli, la presenza di vescicole sinaptiche e di numerosi mitocondri.
• Le sinapsi sono siti di contatto funzionale tra neuroni, formati da una componente presinaptica e una postsinaptica, separate dallo spazio intersinaptico (20nm).
• La trasmissione sinaptica trasforma un segnale elettrico in chimico (neurotrasmettitore) nello spazio intersinaptico, poi riconvertito in elettrico.
• Il trasporto assoplasmatico movimenta il materiale lungo l'assone, poiché il citoplasma assonico è privo di ribosomi.
• Le differenze tra assoni e dendriti riguardano la direzione dell'informazione, la superficie, il numero per cellula, la presenza di ribosomi e la mielinizzazione.

Dendriti e Tipi di Neuroni

• I dendriti ricevono segnali in entrata (afferenti) conducendo stimoli dalla periferia verso il centro o soma.
• La membrana dendritica possiede recettori specializzati che recepiscono il neurotrasmettitore nello spazio intersinaptico.
• I dendriti di alcuni neuroni sono ricoperti da strutture specializzate chiamate spine dendritiche che ricevono input sinaptico
• Neuroni si distinguono per numero di neuriti (unipolari, bipolari e multipolari), tipo di dendriti, connessioni (sensitivi primari, motoneuroni, interneuroni), lunghezza dell'assone (tipo del Golgi o neuroni a circuito locale) e neurotrasmettitore utilizzato.

Cellule Gliali e Membrana a Riposo

• Le cellule gliali, insieme ai neuroni, costituiscono il sistema nervoso, superando di 10 volte il numero dei neuroni e svolgendo funzioni nutritive, di sostegno, isolamento e protezione.
• Le principali cellule gliali sono astrociti, oligodendrociti, cellule di Schwann e microglia.
• Gli astrociti rivestono gli spazi tra i neuroni e forniscono supporto strutturale e funzionale, regolando la quantità e diffusione di specie chimiche nello spazio extracellulare e supportando energeticamente i neuroni.
• Le cellule ependimali rivestono i ventricoli e il canale centrale midollare, determinando la direzione della migrazione cellulare e regolando il liquido cerebrospinale.
• La microglia rimuove detriti cellulari, rifiuti e patogeni attraverso la fagocitosi, formando tessuto cicatriziale.
• Oligodendroglia (nel SNC) e cellule di Schwann (nel SNP) sostengono gli assoni producendo la guaina mielinica che isola gli assoni.
• La mielina, costituita da lipidi (80%) e proteine (20%), è interrotta da nodi di Ranvier, velocizzando la propagazione degli impulsi.
• Nella sclerosi multipla, la demielinizzazione porta a rallentamento o blocco della conduzione nervosa, con conseguenze gravi a seconda delle vie colpite.
• Nel SNP, le cellule di Schwann contribuiscono alla digestione degli assoni danneggiati o morti nei nervi danneggiati.
• Nel SNC, gli assoni in ricrescita incontrano il tessuto cicatriziale prodotto dagli astrociti.
• Il potenziale di membrana è la differenza di cariche elettriche tra l'interno e l'esterno del neurone, variando da -60 mV a -70 mV.
• Il liquido extracellulare ha elevate concentrazioni di sodio (Na) e cloro (Cl) e basse concentrazioni di potassio (K).
• Il liquido intracellulare ha un'alta concentrazione di potassio (K) e concentrazioni relativamente basse di sodio (Na) e cloro (Cl).
• La membrana neuronale costituito da un doppio strato fosfolipidico semipermeabile.

Canali Ionici e Movimento degli Ioni

• I canali ionici permettono il passaggio selettivo degli ioni.
• Sia il potenziale di riposo sia quello d'azione dipendono dal passaggio selettivo degli ioni a cavallo della membrana neuronale.
• I canali hanno tre proprietà importanti: passaggio esclusivo degli ioni, selettività ionica e variabilità all'accesso (apertura e chiusura in risposta a stimoli specifici).
• I canali ionici attivi si aprono e chiudono in risposta a ligandi, deformazione meccanica o variazioni del potenziale di membrana.
• I canali ionici passivi sono sempre aperti.
• Il movimento degli ioni avviene per diffusione (secondo gradiente di concentrazione) e campo elettrico (verso cariche opposte).
• Il potenziale elettrico e la conduttanza elettrica influenzano la quantità di corrente che scorre.
• I neuroni a riposo hanno più ioni Na+ all'esterno e più ioni K+ all'interno della membrana, con l'interno elettricamente negativo rispetto all'esterno.
• Il gradiente di concentrazione e la pressione elettrostatica spingono gli ioni Na+ all'interno del neurone a riposo.
• I canali ionici per il Na+ sono chiusi.
• I canali K+ sono aperti.
• Le concentrazioni di Na+ e K+ all'interno del neurone sono mantenute stabili dalla pompa sodio-potassio, che consuma ATP.

Potenziali Post-Sinaptici e Trasmissione

• La pompa sodio-potassio sposta contro gradiente 3 ioni sodio (Na+) verso l'ambiente extracellulare e 2 ioni potassio (K+) verso l'ambiente intracellulare, sfruttando l'idrolisi di una molecola di ATP.
• Gli effetti indotti nel neurone che riceve il neurotrasmettitore dipendono dalla natura del neurone, dalla neurotrasmissione e dal recettore specifico, portando a depolarizzazione (potenziali post-sinaptici eccitatori, PPSE) o iperpolarizzazione (potenziali post-sinaptici inibitori, PPSI).
• I PPSE aumentano la probabilità che il neurone si attivi.
• I PPSI riducono la probabilità che il neurone si attivi.
• I potenziali post-sinaptici (PPSI e PPSE) sono risposte graduate, si propagano passivamente ed è rapida.
• Il potenziale post-sinaptico degrada man mano che si allontana dal punto di origine.
• La generazione PPSE avviene attraverso l'ingresso di ioni Na+.
• La generazione PPSI avviene attraverso l'ingresso di ioni Cl-.
• L'attivazione di un neurone dipende dall'equilibrio tra segnali eccitatori ed inibitori che raggiungono il suo assone.
• Se la somma delle depolarizzazioni e delle iperpolarizzazioni è sufficiente a depolarizzare la membrana fino alla soglia di eccitazione (-65mV), si genera un potenziale d'azione (PA).
• Il potenziale d'azione induce una drastica inversione del potenziale di membrana, passando da -70 mV a circa +50 mV in 1 msec.
• L'ampiezza dei potenziali d'azione non è correlata all'entità dello stimolo ma dipendono dai potenziali d'azione, quindi risposte "tutto o nulla".
• Si chiama integrazione quando neuroni integrano i segnali che ricevono nello spazio e nel tempo contemporaneamente e in successione.
• Nell'azione di produzione conduzione del potenziale d'azione avviene attraverso canali ionici voltaggio-dipendenti.

Fasi e trasmissione del potenziale d'azione

• Fase di ascesa: quando il Vm raggiunge la soglia di eccitazione, -65 mV, i canali del sodio si aprono ed avviene un massivo ingresso di ioni Na+ all'interno del neurone.
• Ripolarizzazione: avviene l'apertura dei canali del potassio, che porta gli ioni K+ ad uscire dall'interno del neurone.
• Iperpolarizzazione: a causa del continuo efflusso di ioni K+, la membrana sarà iperpolarizzata.
• Periodo refrattario assoluto: è impossibile indurre un secondo potenziale d'azione
• Periodo refrattario relativo: è possibile generare un potenziale di azione ma applicando una stimolazione più intensa rispetto al normale
• Unidirezionalità dell'assone: la trasmissione del potenziale d'azione non può essere invertita
• L'intensità della stimolazione ha un effetto sulla frequenza di scarica.
• Il potenziale d'azione viaggia lungo l'assone dal segmento iniziale alla terminazione sinaptica (conduzione ortodromica) ma in particolari può viaggiare in senso contrario conduzione antidromica.
• Differenze importanti rispetto alla trasmissione di PPSE & PPSI (non è decrementale e è attiva).
• Trasmissione del potenziale d'azione negli assoni mielinizzati: solo nei nodi di Ranvier può avvenire lo scambio di ioni che salta da un nodo all'altro ed avviene la conduzione saltatoria più rapida
• Fattori che influenzano velocità di conduzione (Diametro assone e presenza mielina).

Trasmissione Sinaptica e Neurotrasmettitori

• Le fasi fondamentali della trasmissione sinaptica sono: sintesi, rilascio, attivazione dei recettori e ricaptazione/degradazione dei neurotrasmettitori.
• I tipi di sinapsi includono asso-dendritiche, asso-somatiche e asso-assoniche.
• Le sinapsi possono essere dirette (neurotrasmettitore rilasciato vicino ai recettori) o non dirette (varicosità sull'assone).
• I neurotrasmettitori possono essere piccoli (sintetizzati nel terminale) o grandi (neuropeptidi, sintetizzati nel soma).
• Il rilascio dei neurotrasmettitori (Ca++ dipendente) avviene quando il potenziale d'azione arriva alla terminazione sinaptica e porta all'apertura dei canali Ca.
• Si distinguono due tipi di rilascio neurotrasmettitori.
• L’ingresso transiente degli ioni Ca++, porterà al rilascio pulsatile.
• Il rilascio stabile e graduale avrà un ruolo fondamentale solo se il citoplasma ha raggiunto una certa concentrazione di ioni Ca++.
• I neurotrasmettitori si legano a recettori specifici, chiamati ligandi, che possono essere ionotropici (associati a canali ionici ligando-dipendenti) o metabotropici (accoppiati a proteine di segnalazione).
• Gli autorecettori, si trovano nella membrana del terminale assonico presinaptico che riducono o stimolare la liberazione del neurotrasmettitore.
• La ricaptazione e la degradazione enzimatica sono meccanismi di inattivazione dei neurotrasmettitori nella sinapsi.

Neurotrasmettitori, Tossine e Patologie

• Vi sono meccanismi di inattivazione dei neurotrasmettitori dopo l'interazione con il recettore.
• La tetradossina blocca i canali Na+, mentre altre tossine causano l'apertura inappropriata dei canali Na+.
• Diverse tossine bloccano i canali K+.
• Le canalopatie sono malattie genetiche legate ai canali ionici, come la miotonia/paralisi e alcune forme di epilessia.
• Neurotrasmettitori:
  • Amminoacidi (azione rapida)
  • Acetilcolina (acetile + colina)
  • Neurotrasmettitori non convenzionali (natura gassosa)
  • Endocannabinoidi
  • Neuropeptidi (grandi)
• La Malattia di Parkinson patologia neurodegenerativa che colpisce il sistema nervoso centrale.
• Principali sintomi Bradicinesia, rigidità muscolare, tremore a riposo e anomalie posturali.

Sintomi del Parkinson, Vie Glutanatergiche e Disturbo dell'Umore

• Sintomi cognitivi e psichiatrici della malattia di Parkinson includono rallentamento ideo-motorio, deficit dell'esplorazione visuo-spaziale, depressione e apatia, che degenerano la via dopaminergica nigro-striatale.
• Cause della malattia di Parkinson potrebbero essere sostanze tossiche che innescano processi di degenerazione selettiva dei neuroni dopaminergici nigrostriatali.
• Efficacia di farmaci agonisti dopaminergici.
• L’attività del neurotrasmettitore può essere inibita o aumentata tramite la presenza di farmaci.
• Sette tappe della trasmissione sinaptica.
• Gli effetti possono facilitatori o inibitori.
• Le vie glutamatergiche impiegano il Glutammato sia responsabile per i neuroni sensitivi.
• Il glutammato non è essenziale e non attraversa la barriera ematoencefalica, va sintetizzato da precursori locali (Glutammina -> Glutamminasi -> VGLUT -> EAAT)
• I recettori glutamatergici includono AMPA, NMDA e mGluR, con diverse funzioni e sensibilità farmacologiche.
• Esistono modelli per lo studio dei sintomi psicotici: riflesso di allerta e pre-pulse inhibition
• L'inibizione delle aree del cervello che risultano danneggiate dalla schizofrenia si riflette nelle anomalie di funzionamento dei processi di "gating" sensori-motorio

Sistema Nervoso ed Altri Neurotrasmettitori

• Il sistema nervoso, suddiviso in centrale (encefalo e midollo spinale) e periferico (somatico e autonomo), regola l'ambiente esterno e interno.
• I nervi afferenti trasportano informazioni dalla periferia ed i nervi efferenti trasportano i segnali motori.
• Il sistema parasimpatico conserva energia.
• Il sistema simpatico prepara il corpo per le emergenze.
• L'acetilcolina è il neurotrasmettitore di tutti i nervi della muscolatura volontaria (giunzione muscolare) che controllano e si trova in sinapsi del SNA e del SNC.
• Tra i due tipologie di recettori per l'atencilcolina i ricettori nicotinici sono collegati ai canali ionici sodio-dipendenti, i recettori muscarinici sono collegati a una proteina G.
• La trasmissione dopaminergica, regolata dalla substantia nigra, influenza il movimento, la memoria, il piacere e l'attenzione.
• La trasmissione noradrenergica modula l'attenzione, l'umore, il sonno, il comportamento alimentare e lo stato di veglia, con vie che originano nel Locus Coeruleus e con recettori metabotropici (alfa e beta).
• La trasmissione serotoninergica, a partire dal triptofano, influenza l'umore, il sonno, l'appetito, la salute delle ossa, la coagulazione e il desiderio sessuale, con recettori sette classi.
• Trasmissione GABA ergica con enzima acido-glutammico decarbossilasi (GAD) che regola tono muscolare e vie, il blocco della trasmissione causa l'insorgenza della Corea di Huntington.
• La Trasmissione glicinerica è importante per la coordinazione motoria.
• I disturbi dell'umore (es. depressione) sono malattie multifattoriale più frequenti nelle donne con origine genetica.
• La Dopamina viene creata tramite catecolamine che a loro volta vengono sintetizzate dalla Tirosina, hanno origine collocate in aree cerebrali sottocorticali e liberati da neuroni.

Vie, Recettori e Malattie

• Apomorfina e cocaina promuovono la trasmissione dopaminergica ed inducono farmacologicamente uno stato simil-psicotico, Fenciclidina e LSD è un farmaco dissociativo che agisce da antagonista e dei recettori della serotonina.
• Quattro le vie principali dopaminergiche nigrostriatale, mesolimbica, mesocorticale, tuberoinfundibolare.
• La via mesolimbica interconnessa con il rinforzo positivo del cervello.
• La via mesocorticale interconnessa con il controllo delle funzioni corticali.
• Esistono due tipologie di recettori per la dopamina recettori di tipo D1 (eccitatori) suddivisi in D1 e D5, recettori di tipo D2 (inibitori) suddivisi in D2, D3, D4.
• Reserpina distrugge, vescicole sinaptiche es esponendo alla azione dei MAO.

Questa lezione esplora i metodi di neuroimaging come radiografie con mezzo di contrasto, TAC e fMRI. Approfondisce anche le unità fondamentali del tessuto nervoso, la struttura cellulare, e le mutazioni genetiche come nella Corea di Huntington, oltre alle funzioni di apparati di Golgi e mitocondri.