Introducere în Neuroștiințe - Curs Universitatea Babeș-Bolyai PDF

UNIVERSITATEA BABEȘ-BOLYAI FACULTATEA DE PSIHOLOGIE ȘI ȘTIINȚE ALE EDUCAȚIEI ÎNVĂȚĂMÂNT LA DISTANȚĂ (ID) - LINIA ROMÂNĂ INTRODUCERE ÎN NEUROȘTIINȚE Curs Semestrul I 2024-2025 Autorii cursului: Prof. univ. dr. Andrei C. Miu, drd. Simina Pițur © 2024 Autorii cursului și Facultatea de Psihologie și Științe ale Educației, Universitatea Babeș-Bolyai. Toate drepturile rezervate. Reproducerea integrală sau parțială a textului, prin orice mijloace, fără acordul autorilor, este interzisă și se pedepsește conform legii. 3 INFORMAȚII GENERALE 1. Date de identificare a cursului Date de contact ale titularului de curs: Date de identificare curs şi contact tutori: Nume: Prof. Univ. Dr. Andrei C. Miu Numele cursului – Introducere în Neuroştiinţe Birou: Institutul de Psihologie, str. Codul cursului – PSY 1021 Republicii, nr. 37 Anul, Semestrul – anul 1, sem. 1 Telefon: 0264-590967 Tipul cursului – obligatoriu Fax: 0264-590967 Număr credite – 6 credite E-mail: [email protected] Pagina web a cursului - http://www.psychology.ro Consultaţii: Marți, 14:00 - 16:00 (cu Tutori – Prof. Univ. Dr. Andrei C. Miu, drd. programare prealabilă pe email) Simina Pițur, drd. Andra Vlaicu [email protected] 2. Descrierea cursului Cursul introduce domeniul neuroștiințelor, concentrându-se asupra structurii şi funcţiilor sistemului nervos. Cursul este organizat în șase module: Modulul I: Relația minte-creier: perspectivă istorică Modului II: Neuroni și celule gliale Modulul III: Semnalizare sinaptică. Excitabilitate. Conductibilitate Modulul IV: Dezvoltarea sistemului nervos Modulul V: Neuroanatomie Modulul VI: Văzul 3. Materiale bibliografice obligatorii Dintre materialele recomandate ca bibliografie pentru acest curs atragem atenţia asupra volumului citat în cele ce urmează, care constituie principala resursă bibliografică: Pinel, J. P. J., & Steven J. Barnes (2018). Biopsychology (ed. a 10-a). Pearson, Hoboken, NJ. În suportul de curs, la sfârșitul fiecărui modul sunt precizate atât referinţele bibliografice obligatorii (capitole ale volumului citat), cât şi cele facultative. Sursele bibliografice au fost astfel alese încât să ofere informații complementare cursului. De asemenea, pe tot parcursul suportului de curs veți găsi trimiteri la figuri și ilustrații din acest volum, alese pentru a facilita înțelegerea materialului prezentat. 4. Calendarul cursului Pe parcursul semestrului I, în care se studiază disciplina Introducere în Neuroștiințe, sunt programate 2 întâlniri faţă în faţă (consultaţii) cu toţi studenţii. Ele sunt destinate explicării de către cadrele didactice a oricăror nelamuriri din curs. Pentru prima întâlnire se recomandă lectura atentă a primelor trei module; la cea de a doua întâlnire se discuta ultimele trei module. Pentru a valorifica timpul alocat celor două întâlniri, studenţii sunt atenţionaţi asupra necesităţii de a parcurge modulele indicate și bibliografia obligatorie și de a-și pregăti întrebările la care doresc răspuns și explicații suplimentare. 5. Politica de evaluare şi notare Evaluarea finală se va realiza pe baza unui examen scris desfășurat în sesiunea de la finele semestrului I. Nota finală se compune din punctajul obținut la acest examen în proporţie de 100 % (10 puncte). Condiţia pentru promovarea examenului la disciplina Introducere în Neuroştiinţe este obținerea a minim 5 puncte (punctaj nerotunjit) din punctajul la examen. 3 Suportul de curs cuprinde lucrări de evaluare cu caracter facultativ. Enunţul acestor lucrări se găseşte la sfârşitul fiecărui modul. Realizarea acestor lucrǎri reprezintǎ o modalitate foarte bunǎ de a vǎ aprecia progresul realizat în studiul disciplinei Introducere în Neuroştiinţe. 6. Studenţi cu nevoi speciale Titularul cursului și echipa de tutori îşi exprimă disponibilitatea, în limita constrângerilor tehnice și de timp, de a adapta conţinutul şi metodelor de transmitere a informaţiilor precum şi modalităţile de evaluare în funcţie de tipul dizabilităţii cursantului. 7. Strategii de studiu recomandate Date fiind caracteristicile învăţământului la distanţă, se recomandă studenţilor o planificare foarte riguroasă a secvenţelor de studiu individual și participarea la consultații. 4 Cuprins Modulul I: Relația minte-creier: perspectivă istorică 1. Perspective istorice …………………………………………………………… 8 2. Structura țesutului nervos ……………………………………………………. 13 3. Activitatea sistemului nervos …………………………………………….…… 15 4. Dezvoltarea sistemului nervos …………………………………………...…… 16 5. Neuroplasticitatea …………..………………………………………………… 18 Bibliografie ……..……………..………………………………………………… 20 Autoevaluare………….………..………………………………………………… 20 Răspunsuri ………...…………..…………………………………………………. 22 Modulul II: Neuroni și celule gliale 1. Neuronul …………………………………………………………………....…. 24 2. Celulele gliale ………………………..……………………………………...… 31 2.3. Celulele ependimale ………………………………..…………………….…. 33 Bibliografie ……..……………..………………………………………………… 38 Autoevaluare………….………..………………………………………………… 38 Răspunsuri ………...…………..………………………………………….……… 40 Modulul III: Semnalizare sinaptică. Excitabilitate. Conductibilitate 1. Semnalizarea sinaptică ………………………………………………….…..… 40 2. Excitabilitatea ……………………………………………….………....……… 45 3. Conductibilitatea ………………………………………………………...….… 49 5 Bibliografie ……..……………..………………………………………………… 51 Autoevaluare………….………..………………………………………………… 51 Răspunsuri ………...…………..………………………………………………… 53 Modulul V: Neuroanatomie 1. Introducere …………………………………………………………………… 54 2. Diviziunile sistemului nervos ………………………………………………… 54 Bibliografie ………………………………………………………………………. 66 Autoevaluare ……………………………………………………………………… 66 Răspunsuri ………………………………………………………………………… 67 Modulul IV: Dezvoltarea sistemului nervos 1. Etapele dezvoltării sistemului nervos …………………………………………… 69 2. Dezvoltarea sistemului nervos la nivel celular ………………………………….. 74 Bibliografie ………………………………………………………………………… 80 Autoevaluare ……………………………………………………………………….. 80 Răspunsuri ………………………………………………………………………….. 82 Modulul VI: Văzul 1. Organul de simț ………………………………………………………………….. 84 2. Organizarea funcțională a circuitului vizual …………………………………….. 94 Bibliografie …………………………………………………………………………. 96 Autoevaluare ……………………………………………………………………….. 96 Răspunsuri …………………………………………………………………………. 99 6 7 MODULUL I Relația minte-creier: perspectivă istorică Neuroștiințele sunt un domeniu de cercetare care studiază structura și funcțiile sistemului nervos, atât la om, cât și alte specii. Se disting de neurologie, un domeniu clinic, prin faptul că sunt interesate de studierea sistemului nervos, și nu de diagnosticarea sau tratarea tulburărilor. Sistemul nervos poate fi analizat la mai multe niveluri, de la cel mai elementar (neuroștiințe moleculare) până la cel mai apropiat de comportamentul observabil (neuroștiințe cognitive). Prin faptul că aduc împreună cercetători de formații diverse, neuroștiințele cognitive folosesc o abordare interdisciplinară pentru a studia bazele neurofiziologice ale cogniției (gândire, memorie, atenție, etc). De obicei, metodele folosite pentru a măsura activitatea creierului în neuroștiințele cognitive sunt neinvazive (EEG, RMNf, etc.). Deși denumirea datează din a doua jumătate a secolului XX, eforturile de a clarifica cauzele comportamentelor, gândurilor și emoțiilor sunt mult mai vechi. În acest capitol introductiv, veți afla principalele teorii și descoperiri care au contribuit la dezvoltarea cunoașterii sistemului nervos. 1.1. Perspective istorice Ce anume ne face să fim noi înșine, indiferent că numim acel lucru suflet (pneuma) sau psihic (psyche)? Ce anume ne face să gândim, să acționăm și să simțim? Aceste întrebări și-au găsit, de- a lungul timpului, răspunsuri diverse și, câteodată, contradictorii. Putem doar intui, pe baza dovezilor arheologice, ce credeau strămoșii noștri despre minte și corp. Pe de-o parte, urmele găsite la nivelul craniilor, rezultate fie în urma loviturilor accidentale, fie în urma trepanațiilor, ne sugerează că importanța vitală a creierului a fost binecunoscută încă din preistorie. Pe de altă 8 parte, din ritualurile de mumificare egiptene putem deduce că sufletul a fost considerat pentru o foarte lungă perioadă de timp ca fiind strâns legat de inimă, după greutatea căreia s-ar fi decis soarta lui în viața de apoi. În același timp, izvoare din perioada Greciei Antice, precum Iliada lui Homer, evocă alte credințe populare, pentru care sinele era compus din mai mulți agenți. Psyche, de exemplu, era numele forței vitale care părăsește trupul după moarte. Ideea unui suflet imaterial va persista de-a lungul istoriei, în mare parte datorită influenței lui Aristotel (sec. IV î.Hr) asupra filosofiei europene. Va fi un punct de pornire pentru teoriile dualiste, precum cea a lui René Descartes, care argumentează că sufletul este distinct și separabil de trup. În paralel, însă, teoriile moniste vor încerca în continuare să localizeze sufletul în inimă sau în creier, considerând că acesta trebuie să fie reductibil la ceea ce se întâmplă în corp. Perspectiva cardiocentristă. Până în perioada Antichității târzii, inima a fost considerată centrul de control al comportamentul uman. Empedocle (sec. V î.Hr), de pildă, consideră că inima este sursa rațiunii și, implicit, a inteligenței umane. Perspectivă cardiocentristă adoptată de filosofii greci își are, parțial, originea în credințele populare despre suflet, însă primește justificări diverse, cum ar fi faptul că inima ocupă o poziție centrală în corp. Perspectiva cefalocentristă. Deși o figură acum obscură prin comparație cu alți filosofi antici, lui Alcmaeon (sec. V î.Hr) îi este atribuită prima afirmație cefalocentristă, și anume aceea că simțurile depind de creier. Speculația lui Alcmaeon se baza pe observații anatomice: el identifică, în disecții pe animale, nervul optic, care se extinde dinspre globul ocular spre creier. De departe cea mai puternică influență asupra istoriei științelor rămâne, însă, cea a lui Galen din Pergamon (sec. II d.Hr.). În calitate de medic al gladiatorilor, Galen tratează leziuni diverse de la nivelul craniului și coloanei vertebrale, observă care sunt consecințele lor asupra comportamentului și se folosește de experimente cu animale vii pentru a-și testa ipotezele. El respinge vehement ideea, 9 popularizată de Aristotel, că rolul creierului ar fi de a răci sângele, asemenea unui radiator. Afirmă, în schimb, că inteligența este localizată în creier și că acesta, la rândul său, este legat de mușchi și de organe de simț prin nervi. Disecțiile făcute asupra animalelor scot în evidență două părți distincte ale creierului, creierul mare (cerebrum) și creierul mic (cerebellum), dar și existența unor cavități interioare umplute cu lichid, numite ventriculi. Galen le privește pe cele din urmă ca o dovadă clară în sprijinul teoriei umorilor, care încerca să explice activitatea corpului în funcție de echilibrul dintre patru lichide: flegma, bila neagră, bila galbenă şi sângele. Mai precis, Galen propune că senzațiile și mișcările iau naștere datorită lichidelor care circulă prin ventriculi și nervi, considerându-i pe cei din urmă tuburi goale pe dinăuntru. Dualismul cartezian și teoria lichidelor. Timp de aproape 1500 ani, perspectiva lui Galen asupra creierului rămâne dominantă în Europa. Mecanismele hidraulice, expresie a unei fascinații mai largi a secolul XVII pentru dispozitive automate, demonstrează că circulația fluidelor poate produce mișcare. René Descartes este puternic influențat de ele și le consideră dovezi în sprijinul ideilor lui Galen. Cu toate acestea, perspectiva propusă de Descartes este una dualistă, nu monistă. Mintea, consideră el, nu poate fi localizată în creier, deoarece este imaterială. Cele două, însă, ar comunica prin glanda epifiză: o structură mică, ce atrage atenția lui Descartes deoarece, spre deosebire de alte structuri, nu este formată din două părți simetrice. Atât senzațiile, cât și mișcările, afirmă Descartes, ar fi rezultatul dialogului dintre creier și minte. Sistemul nervos și electricitatea. Odată cu experimentele lui Benjamin Franklin, fenomenele electrice încep să fie înțelese mai bine și trezesc interesul biologilor. Luigi Galvani și Emil du Bois-Reymond arată, pe de-o parte, că mușchii reacționează atunci când nervii care îi controlează sunt stimulați electric și, pe de altă parte, că electricitatea poate fi generată de creier. În fața acestor 10 dovezi, teoria fluidelor începe să piardă teren, iar metafora nervilor ca fire electrice o înlocuiește pe cea a nervilor ca tuburi umplute cu lichid. Localizaționism. Prima carte de neuroanatomie, Cerebri Anatome, este publicată în 1664 de Thomas Willis, urmând ca până la sfârșitul secolului XVIII sistemul nervos să fie descris în detaliu, iar subdiviziunile sale majore identificate: sistemul nervos central (creierul și măduva) și sistemul nervos periferic (nervii). Se observă că suprafața creierului este brăzdată de șanțuri și poate fi parcelată, în funcție de acestea, în girusuri și lobi. Deoarece este cunoscut faptul că leziunile de la nivelul creierului pot produce tulburări ale senzației, mișcării sau cogniției, se speculează că părți distincte ale creierului trebuie să îndeplinească funcții diferite. Franz Joseph Gall propune pentru prima dată că procesele psihice au o localizare precisă în creier, nu în ventriculi, astfel punând bazele unui nou curent, localizaționismul. Principiile localizaționiste sunt, însă, aplicate în frenologie, o pseudoștiință care își propune să coreleze forma craniului cu personalitatea. Gall colecționează și măsoară craniile a sute de indivizi, propunându-și să creeze o hartă a trăsăturilor de caracter, precum generozitatea sau tendința de a păstra secrete, în funcție de ridicăturile observate. O premisă incorectă, deoarece ridicăturile craniului nu sunt determinate de cele ale creierului. Aceste idei nu sunt acceptate de comunitatea științifică, însă devin populare destul de repede pentru publicul larg. Echipotențialism. La sesizările Academiei Franceze, Jean Pierre Flourens își propune să testeze experimental ideile localizaționiste. El realizează ablații sistematice în cortexul unor animale, măsurându-le comportamentul înainte și după aceste leziuni. Deoarece găsește că ablațiile compromit mai multe funcții, nu una singură, Flourens concluzionează că nu există dovezi pentru a susține teoria localizaționistă. Propune, în schimb, perspectiva echipotențialistă, 11 considerând că toate părțile creierului sunt responsabile în mod egal pentru toate funcțiile cerebrale. De exemplu, din moment ce toate leziunile par să interfereze cu memoria, Flourens afirmă că memoria este susținută de orice parte din creier. Deși acest punct de vedere pare, la prima vedere, să fie sprijinit de dovezi empirice, în realitate metodele de măsurare a comportamentului folosite de Flourens erau nestandardizate, iar leziunile făcute mult prea mari. Localizaționism distribuit. Revigorarea localizaționismului și tranziția spre localizaționismul distribuit nu ar fi fost posibilă fără studierea pacienților ale căror leziuni accidentale erau însoțite de deficite de limbaj, deficite numite afazii. Un principiu fundamental al neuropsihologiei este acela că funcția deficitară este susținută de structura lezată (engl., loss of function). Folosindu-se de această abordare, Paul Broca și Carl Wernicke descriu pentru prima dată ariile și, mai târziu, circuitele implicate în limbaj. Puține studii de neuropsihologie au fost realizate până la jumătatea secolului XIX, cazurile fiind rare și leziunile identificate grosier. Deși existau unele indicii că limbajul ar putea fi localizat, nu exista nicio descriere sistematică a regiunilor implicate. Paul Broca este primul care identifică un centru al vorbirii. Concluziile sale se bazează pe studierea indivizilor al căror limbaj fusese afectat într-un mod foarte specific: nu puteau vorbi, deși puteau înțelege limbajul (afazie motorie). Primul dintre aceștia, pacientul Tan (pe numele lui real, Louis Victor Leborgne), nu putea rosti decât o singură silabă („tan”), însă putea răspunde corect la întrebările care i se puneau. După moartea pacientului, autopsia confirmă existența unei leziuni la nivelul creierului, în lobul frontal stâng. Aceasta cuprinde partea posterioară a girusului frontal inferior și este denumită, ulterior, aria Broca. Carl Wernicke descoperă existența unor deficite complementare celor observate în cazul Tan: pacienți pentru care înțelegerea, nu producerea limbajului este deficitară (afazie senzorială). 12 Acești pacienți prezintă leziuni într-o arie corticală diferită, denumită mai târziu aria Wernicke, localizată în girusul temporal superior stâng. Pentru a putea face saltul de la o corelație la o relație cauzală este nevoie de o dublă disociere: o leziune afectează domeniul A (producerea limbajului), dar nu și domeniul B (înțelegerea limbajului), pe când o altă leziune afectează domeniul B (înțelegerea limbajului), dar nu și domeniul A (producerea limbajului). Într-adevăr, faptul că leziunile în aria Broca afectează producerea, dar nu și înțelegerea limbajului, pe când cele în aria Wernicke afectează înțelegerea, dar nu și producerea limbajului, sugerează că prima arie susține limbajul expresiv (producția), pe când cea de-a doua susține limbajul receptiv (înțelegerea). Descoperirea că ariile Broca și Wernicke sunt legate printr-un tract numit fascicul arcuat, și că distrugerea tractului determină un al treilea tip de afazie (de conducere), arată în mod definitiv că limbajul nu este susținut de o singură regiune din creier, ci de mai multe regiuni care comunică între ele prin tracturi. Această perspectivă poartă numele de localizaționism distribuit și va fi susținută, mai departe, de dovezi empirice diverse, inclusiv de date neuroimagistice. 1.2. Structura țesutului nervos Obstacole în studierea țesutului nervos. Majoritatea descoperirilor fundamentale despre țesutul nervos le datorăm histologiei, studiul la nivel microscopic al țesutului. Istoria lor este, însă, strâns legată de limitele sau de progresele tehnologiei disponibile. Pentru o lungă perioadă de timp, densitatea foarte mare și dimensiunea foarte mică a celulelor din țesutul nervos a constituit o problemă pentru histologi, neuronii neputând fi clar delimitați în imagini decât după apariția și îmbunătățirea microscopului optic și dezvoltarea unor metode de colorație histologică selectivă. De asemenea, consistența moale a țesutului nervos face dificilă secționarea sa (un 13 procedeu necesar pentru a pregăti țesutul pentru studierea sub microscop). Această problemă își găsește o rezolvare odată cu apariția substanțelor capabile să întărească țesutul, precum formaldehida, și a microtomului, un aparat cu care probele de țesut pot fi tăiate în felii fine, de ordinul micrometrilor (1 mm = 1000 μm). Nu în ultimul rând, feliile de țesut nervos au o culoare uniformă, celule individuale fiind greu de distins chiar și atunci când imaginea este mărită. O soluție a fost introducerea pigmenților care colorează selectiv doar anumite părți ale celulei. Colorația Nissl, de pildă, pune în evidență nucleul și materialul care înconjoară nucleul (corpusculii Nissl) din neuroni. Cu ajutorul său, neuronii pot fi diferențiați de celulele gliale și se poate observa dispunerea sau organizarea lor în țesut. O altă metodă, numită colorație Golgi sau colorație argentică, pune în evidență doar un procent mic din neuroni, însă are avantajul de a colora neuronul în întregime și nu doar organitele sale. Datorită acestei metode, devine clar că porțiunile identificate anterior prin colorația Nissl nu reprezentau un neuron întreg, ci doar o parte dintr-un neuron. Se mai pot observa, pornind din corpul celular, o proiecție lungă (axoni) și mai multe proiecții mici și scurte (dendrite). Teoria reticulară și ipoteza neuronului. În mod paradoxal, Santiago Ramón y Cajal și Camillo Golgi folosesc același pigment pentru a justifica două perspective complet opuse. Camillo Golgi susține teoria reticulară (1873), considerând că prelungirile pe care le observă la microscop sunt continue. Acest lucru ar face țesutul nervos să fie, însă, o rețea continuă. Prin urmare, ar face excepție de la teoria celulară formulată de Schleiden (1838) și Schwann (1839), care afirma că toate țesuturile trebuie să fie formate din celule distincte. Santiago Ramón y Cajal adoptă o poziție opusă și susține ipoteza neuronului (1887), considerând că neuronii nu comunică prin continuitate, ci prin contact. El susține această ipoteză cu un număr uriaș de observații microscopice pe secțiuni de țesut nervos colorate cu metoda Golgi, de la om și alte specii și din 14 diferite perioade de dezvoltare. Și dovezile ulterioare au confirmat ipoteza neuronului. De pildă, în imaginile obținute cu ajutorul microscopului electronic, în anii 1950, se observă că procesele neuronale se apropie foarte tare, dar nu se ating. Neuronul este, în mod clar, unitatea funcțională a creierului. 1.3. Activitatea sistemului nervos 1.3.1 Semnalul electric Așa cum ați aflat în secțiunea precedentă, fenomenul electricității începe să atragă, în secolul XVIII, interesul biologilor. Luigi Galvani arată că, la broască, stimularea electrică a unui nerv determină contracții musculare. Un secol mai târziu, Gustav Fritsch și Eduard Hitzig demonstrează că stimularea electrică a cortexului frontal determină contracția musculară. Așadar, la sfârșitul secolului XIX, cunoaștem nu doar că prin nervi se transmit semnale electrice, dar și că stratul superficial al creierului, cortexul, este excitabil. Bazându-se doar pe observațiile obținute cu ajutorul microscopului, Cajal formulează legea polarizării dinamice, prin care intuiește o proprietate importantă a semnalului nervos: informația circulă dinspre dendrite înspre capătul axonului, de acolo fiind transmisă altor neuroni. Mecanismele care fac posibilă această transmitere unidirecțională, însă, nu vor fi descrise decât mult mai târziu. 1.3.2. Semnalul chimic Completând experimente anterioare ale lui Hermann von Helmholtz, Charles Sherrington compară latența reflexului motor cu viteza de conducere a nervului și observă un decalaj între cele două. Concluzionează că acest decalaj se datorează unor „întreruperi” în nervi, discontinuitățile întârziind comunicarea dintre celule. Deși Charles Sherrington denumește, în 15 1897, regiunea de contact dintre neuroni „sinapsă”, dovezi clare pentru existența sa nu vor putea fi găsite decât o jumătate de secol mai târziu, cu ajutorul microscopiei electronice. Primele observații ale sinapsei sunt făcute de George Emil Palade și Simon Palay (1954), în paralel cu Eduardo De Robertis și Stanley Bennett (1955). În imaginile obținute, observă existența unor vezicule în regiunea presinaptică și presupun, în mod corect, că acestea conțin substanțe chimice importante pentru transmiterea semnalului nervos. În 1921, experimentele lui Otto Loewi confirmă pentru prima dată ipoteza chimică: substanțe chimice sunt implicate în transmiterea semnalului nervos. Loewi studiază comunicarea între nervul vag și inimă, la broască, și observă că atunci când nervul vag este stimulat electric, frecvența cardiacă scade. Loewi consideră că această schimbare se datorează unor substanțe chimice eliberate de către nervul vag. Pentru a testa ipoteza, se folosește de o inimă pe care se lăsase nervul vag care o inervează și de o inimă de pe care se îndepărtase nervul vag. Într-un prim pas, stimulează nervul intact, ceea ce reduce frecvența cardiacă a primei inimi. Cu o pipetă, colectează lichidul din jurul ei, unde se așteaptă să fi rămas substanța eliberată de nerv. În al doilea pas, lichidul pipetat este pus în cea de-a doua inimă, cea denervată. Acest lucru este suficient pentru a-i reduce frecvența cardiacă. Experimente ulterioare vor clarifica faptul că neurotransmițătorul al cărui efect a fost descoperit de Loewi este, de fapt, acetilcolina. 1.4. Dezvoltarea sistemului nervos În ce fel se dezvoltă procesele neuronilor? Ipoteza dominantă a fost, inițial, cea a ghidării mecanice. Paul Weiss presupune că prelungirile urmează pasiv trasee deschise. Din moment ce unii neuroni se dezvoltă înaintea celorlalți, procesele celulelor noi s-ar dezvolta, pur și simplu, în direcția în care au destul loc. Cajal, însă, identifică niște formațiuni conice la capătul axonilor în 16 dezvoltare, ce primesc numele de conuri de creștere. El propune ipoteza chemotaxiei, și anume că acest con de creștere este ghidat de o substanță chimică, eliberată de un alt neuron. Dezvoltarea prelungirilor ar fi, astfel, ghidată activ de substanțe chimice, atrăgându-le sau respingându-le. Roger Sperry investighează, în 1963, ipoteza chemoafinității, bazată pe principiul chemotaxiei, propus de Cajal. El speculează că procesele ar putea fi atrase de semnalele unor neuroni și respinse de semnalele altora. În experimentele sale, Sperry alege un model animal al cărui nerv optic se poate regenera, pentru a putea observa regenerarea acestuia în două condiții. El compară comportamentele a două broaște după rotirea globilor oculari la 180°. În cazul uneia dintre broaște, nervul optic este păstrat intact. Atunci când i se arată o insectă, broasca se mișcă în direcția opusă, deoarece imaginea insectei este procesată răsturnat. Pentru cea de-a doua broască, globii oculari sunt rotiți și nervul optic este secționat, așteptându-se regenerarea acestuia. Dacă ipoteza ghidării mecanice ar fi adevărată, nervul secționat s-ar regenera pe traseul cel mai direct și apropiat, iar comportamentul broaștei ar fi corectat. Dacă, în schimb, ipoteza chemoafinității ar fi adevărată, nervul s-ar regenera nu pe traseul cel mai scurt, ci păstrând topografia inițială. Într-adevăr, comportamentul observat este identic cu cel al broaștei al cărei nerv rămăsese intact.1 Odată clarificat faptul că dezvoltarea sistemului nervos presupune căi marcate chimic, încep să fie investigate substanțele responsabile pentru aceste marcaje. La jumătatea secolului XX, Rita Levi-Montalcini arată că transplantarea unor porțiuni de țesut canceros într-un embrion de pasăre induce creșteri rapide ale țesutului nervos. Identifică, apoi, substanța care promovează dezvoltarea celulelor: factorul de creștere al nervilor (engl., nerve growth factor, NGF)2, care 1 Filmări originale ale experimentelor lui Roger Sperry pot fi consultate aici: https://youtu.be/yppglb-UBww 2 Puteți observa efectele NGF în următorul film de arhivă: https://youtu.be/t3PA-YbuJ5E 17 trimite semnale de expansiune proceselor neuronale. NGF este o proteină a cărei structură este împărtășită, parțial, cu alți factori de creștere (e.g., factorul de creștere derivat din creier sau brain- derived neurotrophic factor, BDNF). Aceștia sunt importanți nu doar pentru dezvoltarea sistemului nervos, ci și pentru neuroplasticitate. 1.5. Neuroplasticitatea Dezvoltarea sistemului nervos este definită ca perioada în care acesta se organizează la scară mare. După cum veți afla în capitolul dedicat acestui subiect, dezvoltarea presupune mai multe procese, precum apariția neuronilor (neurogeneza) sau a sinapselor (sinaptogeneza). Acestea au loc masiv în perioada prenatală și postnatală, și magnitudinea lor se reduce în timp. Învățarea, însă, implică și ea modificări în sistemul nervos. Lucrând împreună cu Gheorghe Marinescu, Ion Minea descrie în anul 1909 schimbările morfologice ale neuronilor senzoriali după compresie sau transplantare în diferite organe, și numește aceste schimbări „neuroplasticitate”. Termenul este preluat de către Cajal (1913) și ajunge să desemneze capacitatea circuitelor neuronale de a se modifica. Complexitatea sistemului nervos la mamifere face imposibil de urmărit schimbările sinaptice între toți neuronii implicați în învățare. Din acest motiv, Eric Kandel alege să studieze organisme simple, precum Aplysia Californica, o specie de melc marin. Acesta are un singur ganglion abdominal, cu aproximativ 100 de neuroni cu corp neuronal mare, făcându-i ușor de cartografiat. Când Aplysia învață, prin condiționare clasică3, că urmează un stimul electric, se observă modificări la nivelul sinapselor (engl., long-term potentiation, LTP), producându-se o întărire pe 3 Procedura de condiționare a Aplysiei Californica, prezentată chiar de Eric Kandel, poate fi văzută aici: https://youtu.be/P7Qjjl-CN4U 18 termen lung a sinapselor active în timpul condiționării. LTP este prima formă de neuroplasticitate descoperită, însă nu este singura. 19 Bibliografie ☞ Bibliografie obligatorie Citiți primul capitol pentru o perspectivă completă asupra ramurilor de cercetare și metodelor folosite în neuroștiințe: Pinel, J. P. J., & Steven J. Barnes (2018). Biopsychology (ed. a 10-a) (pp. 1-13). Pearson, Hoboken, NJ. ☞ Bibliografie facultativă Consultați articolele științifice, autobiografice și înregistrările de arhivă puse la dispoziție de Society for Neuroscience: History of Neuroscience. Retrieved October 01, 2020, from https://www.sfn.org/about/history-of-neuroscience Autoevaluare ✏ Exerciții E1. Potriviți teoriile din prima coloană cu afirmațiile din cea de-a doua coloană. 1. Teoria reticulară a. A fost susținută de dovezi empirice 2. Ipoteza neuronului b. Consideră creierul o excepție de la teoria celulară c. A fost susținută de Santiago Ramon y Cajal d. Afirmă că țesutul nervos este o rețea e. Afirmă că neuronii comunică prin contact, nu prin continuitate f. A fost susținută de Camillo Golgi g. A fost susținută de Gheorghe Marinescu h. Afirmă că procesele neuronale sunt unite și formează o rețea continuă i. Se bazează pe observații făcute cu ajutorul colorației Golgi E2. Decideți dacă afirmațiile de mai jos sunt adevărate sau false. A/F Colorația Golgi, care punea în evidență forma unui neuron, a fost folosită de Camillo Golgi pentru a susține ipoteza neuronului. A/F Teoria celulară afirmă că unitatea funcțională a țesutului este celula. 20 A/F Teoria celulară afirmă că toate țesuturile sunt formate din aceleași celule. A/F O excepție de la teoria celulară este țesutul nervos. A/F Țesutul nervos are o densitate mare. A/F Celulele sistemului nervos se ating, și astfel comunică între ele. A/F Comunicarea electrică dintre neuroni se numește proces neuronal. A/F Prelungirile neuronului se numesc procese neuronale. A/F Histologia este știința care studiază activitatea electrică a creierului. A/F Santiago Ramon y Cajal a observat pentru prima dată fanta sinaptică. ✏ Teme de reflecție 1. De ce credeți că ideea că țesutul nervos este diferit de alte țesuturi din corpul uman a persistat până la sfârșitul secolului XIX? 2. Ce dificultăți practice au fost întâmpinate în studierea țesutului nervos? 21 Răspunsuri R1. 1: b, d, f, h, i. 2: a, c, e, g, i R2. Colorația Golgi, care punea în evidență forma unui neuron, a fost folosită de Camillo Fals Golgi pentru a susține ipoteza neuronului. ⚠ Camillo Golgi a susținut teoria reticulară. Teoria celulară afirmă că unitatea funcțională a țesutului este celula. Adevărat Teoria celulară afirmă că toate țesuturile sunt formate din aceleași celule. Fals O excepție de la teoria celulară este țesutul nervos. Fals ⚠ Deși aceasta era o consecință a teoriei reticulare, dovezile empirice au arătat în mod clar că țesutul nervos nu este o excepție de la teoria celulară. Țesutul nervos are o densitate mare. Adevărat Celulele sistemului nervos se ating, și astfel comunică între ele Fals ⚠ Deși aceasta era o supoziție a teoriei reticulare, dovezile empirice au arătat în mod clar că neuronii comunică prin contact, nu prin continuitate. Comunicarea electrică dintre neuroni se numește proces neuronal. Fals Prelungirile neuronului se numesc procese neuronale. Adevărat ⚠ Axonii și dendritele poartă numele de prelungiri sau procese neuronale. Histologia este știința care studiază activitatea electrică a creierului. Fals ⚠ Histologia este studiul la nivel microscopic al țesutului. 22 Santiago Ramon y Cajal a observat pentru prima dată fanta sinaptică. Fals ⚠ Primele observații ale sinapsei au fost făcute de George Emil Palade și Simon Palay, în paralel cu Eduardo De Robertis și Stanley Bennett. 23 MODULUL II Neuroni și celule gliale În capitolul precedent, ați aflat o implicație importantă a ipotezei neuronului, și anume aceea că țesutul nervos nu face excepție de la teoria celulară. Acest lucru înseamnă că țesutul nervos, la fel ca alte țesuturi vii, este alcătuit din celule. În continuare, veți afla cum se numesc aceste celule, care este structura lor, ce funcții îndeplinesc și cum anume le îndeplinesc. 2.1. Neuronul 2.1.1. Structura neuronului Deși variază în ceea ce privește forma, locul și rolul lor în sistemul nervos, neuronii pot fi identificați pe baza unor elemente structurale comune. În cele ce urmează, vom descrie care sunt componentele unui neuron tipic și cum pot fi clasificați neuronii, în funcție de particularitățile lor structurale și funcționale. Neuronul. Neuronul este alcătuit din corp celular (numit și somă sau perikarion) și din două feluri de procese neuronale, numite dendrite și axon, și este delimitat de o membrană plasmatică. Axonul este o prelungire, de regulă mai lungă decât dendritele, care începe să se extindă din corpul celular printr-o regiune numită con axonic, se continuă prin axonul propriu-zis și se ramifică în arborizații axonice ale căror extremități sunt butonii terminali. Înfășurată în jurul axonului, o teacă de mielină cu proprietăți izolatoare electrice crește viteza de conducere a semnalului nervos. Deși un neuron poate avea cel mult un axon, el poate avea numeroase dendrite. Împreună, toate dendritele formează arborizația dendritică. Formațiuni cu aspectul unor butoni, ce poartă numele de spini dendritici, pot fi observate de-a lungul dendritelor. 24 Dacă v-ați amintit de legea polarizării dinamice, formulată de Santiago Ramón y Cajal, probabil că ați anticipat deja diferențele funcționale dintre dendrite și axon. Știm acum că intuiția lui Santiago Ramón y Cajal a fost corectă și că dendritele se comportă ca o zonă receptoare a semnalului nervos, care este condus, apoi, de-a lungul axonului (zonă conducătoare) până la butonii terminali (zonă efectoare). Se spune că semnalul nervos se transmite în sens dromic, explicația pentru acesta fiind legată de perioada refractară de după depolarizare, care va fi descrisă la secțiunea despre excitabilitate. ☞ Consultați figura 3.5. din capitolul 3 pentru o ilustrație a structurii neuronului tipic. Figure 3.5. The major external features of a neuron Pinel, J. P. J., & Steven J. Barnes (2018). Biopsychology (ed. a 10-a) (pp. 58). Pearson, Hoboken, NJ. Clasificarea neuronilor se poate face în funcție de mai multe caracteristici. De exemplu, după forma corpului celular (piramidali, stelați etc.), după numărul de dendrite (unipolari, pseudounipolari, bipolari sau multipolari), după funcția pe care o îndeplinesc (senzoriali, motori sau interneuroni) sau după tipul de neurotransmițători sintetizați (neuroni colinergici, adrenergici, dopaminergici, etc.). În general, neuronii piramidali au axonii mai lungi și asigură proiecții mai îndepărtate, pe când cei granulari au axonii mai scurți și participă la circuite locale. Astfel de neuroni se găsesc în multe structuri nervoase, inclusiv în cortex, unde alternează neuroni piramidali în straturile III și V și neuroni granulari în straturile II și IV. Știind numărul prelungirilor, putem înțelege mai bine cum sunt organizate circuitele neuronale pentru prelucrarea informației: cum neuronii au un singur axon, numărul mai mare de procese reflectă o arborizație dendritică mai mare, ceea ce sugerează o capacitate mai mare a neuronului de a participa la sinapse (care se fac mai ales pe dendrite) și de a centraliza informație de la mai mulți neuroni din 25 amonte. Câteva exemple ar fi: ganglionii spinali, unde se găsesc neuroni pseudounipolari (al căror axon se ramifică aproape de conul axonic, de unde numele); retina, unde se găsesc neuroni bipolari; și, de asemenea, cortexul cerebral unde se găsesc neuroni multipolari. Neuronii senzitivi transformă un stimul în impulsuri nervoase, pe când neuronii motori controlează organele efectoare. De exemplu, fotoreceptorii din retină și neuronii pseudounipolari din ganglionii spinali sunt neuroni senzitivi, iar neuronii din coarnele anterioare ale măduvei și neuronii piramidali Betz din cortexul motor principal sunt neuroni motori. În capitolul despre văz, veți afla despre două tipuri de interneuroni, celulele orizontale și cele amacrine, dar aceștia sunt răspândiți în toate structurile nervoase, inclusiv în măduvă, cortex cerebral și cortex cerebelar. Să remarcăm că clasificările neuronilor se pot suprapune: de pildă, neuronii Betz sunt piramidali după forma corpului celular, motori după funcție și glutamatergici după neurotransmițător. 2.1.2. Ultrastructura neuronului Înainte de a descrie ultrastructura neuronului, trebuie menționat faptul că tot ceea ce se întâmplă într-o celulă depinde de două procese importante: sinteza de proteine și respirația celulară. Proteinele sunt molecule mari, complexe, care îndeplinesc o gamă foarte variată de funcții în țesuturile vii. Sunt compuse din aminoacizi și sunt asamblate printr-un proces numit traducere. Acesta urmează instrucțiunile oferite de acidul dezoxiribonucleic (ADN) pentru a asambla aminoacizii în ordinea specifică. Proteinele sunt codificate de segmente de ADN numite gene: de obicei, o proteină este codificată de una sau mai multe gene, dar proteine diferite pot rezulta și din transcrierea aceleiași gene, printr-un proces numit splicing alternativ sau matisare. Sunt cunoscute mii de proteine și estimările numărului total la om este mult mai mare, dar exemple despre care veți afla în acest curs sunt tubulina, din care sunt formați microtubulii; receptorii postsinaptici de tipul NMDA; canalele ionice pentru NA+ sau K+ și multe altele. Respirația 26 celulară este un alt proces celular important, și presupune un set de reacții metabolice din care rezultă molecule de adenozin trifosfat (ATP). Datorită acestor molecule, energia indispensabilă multor reacții chimice din celulă poate fi stocată și transportată. ☞ Consultați figura 3.6. din capitolul 3 pentru o ilustrație a ultrastructurii neuronului. Figure 3.6. The major internal features of a neuron. Barnes, S. J., & Pinel, J. P. (2018). Biopsychology. (p. 59) Pearson. 2.1.2.1 Membrana plasmatică Membrana plasmatică delimitează și controlează conținutul lichidului intracelular. Acesta lucru nu ar fi posibil fără ajutorul proteinelor transmembranare, o familie de proteine care perforează cele două straturi de lipide din care se compune membrana plasmatică. Ele dirijează schimbul de substanțe între lichidul extra- și intracelular, hotărând în orice moment dacă o moleculă sau un ion traversează membrana. Unele proteine, numite pompe, fac acest schimb în mod activ, consumând energie (ATP). Alte proteine, precum canalele ionice, fac acest lucru în mod pasiv, fără consum de energie. Canalele ionice permit selectiv trecerea anumitor ioni: canalele de sodiu permit trecerea ionilor de sodiu, cele de potasiu, a ionilor de potasiu, ș.a.m.d. Unele canale rămân deschise permanent, altele se deschid sau se închid la un anumit voltaj (canale voltaj-dependente) sau la contactul cu anumiți neurotransmițători (canale ligand-dependente). Capitolul următor va prezenta în detaliu felul în care toate aceste proteine transmembranare acționează împreună pentru a face posibilă generarea și conducerea impulsului nervos. 2.1.2.2. Corpul celular. În corpul celular al unui neuron se găsește nucleul. Acesta conține materialul genetic sub forma cromatinei formată din ADN și proteine și o protejează printr-o 27 membrană proprie, numită membrană nucleară. Pe lângă nucleu, în celulă se mai găsește citoplasma, cuprinzând mai multe tipuri de organite celulare și un lichid numit citosol, bogat în ioni, metaboliți și proteine. Fiecare dintre organitele celulare îndeplinește anumite roluri. Sinteza de proteine, de pildă, are loc în organite numite ribozomi. Aceștia pot fi găsiți sub două forme: fie ca parte a reticulului endoplasmatic rugos (cunoscut și sub numele de corpusculi Nissl sau corpi tigroizi), fie plutind în citosol, în acest caz numindu-se ribozomi liberi. Sinteza de proteine este dirijată de instrucțiunile unor secvențe ADN. După cum ați aflat deja, însă, materialul genetic este protejat de membrana nucleară, ceea ce înseamnă că nu părăsește nucleul. Cum este posibilă, atunci, sinteza de proteine în ribozomi, organite care se află în afara nucleului? Răspunsul este că materialul genetic va fi copiat ori de câte ori este nevoie, iar aceste copii sunt transportate în afara nucleului prin acidul ribonucleic mesager (ARNm). Ribozomii pe care ARNm îi caută pentru sinteză par să depindă de locul în care trebuie să ajungă proteina codificată. Mai precis, dacă proteina rămâne în citosol, ARNm va evita reticulul endoplasmatic rugos și va gravita spre un ribozom liber. Dacă, în schimb, este nevoie ca proteina să ajungă într-un alt organit sau să fie introdusă în membrana plasmatică, ARNm va gravita spre ribozomii din reticulul endoplasmatic rugos. Câteodată, ribozomii liberi pot apărea ca fiind înlănțuiți, în acest caz primind numele de poliribozomi. Ceea ce unește, de fapt, acești ribozomi nu este altceva decât o fâșie lungă de ARNm, pe care o folosesc concomitent pentru a produce mai multe copii ale aceleiași proteine. Reticulul endoplasmatic neted este lipsit de ribozomi și, în funcție de locul în care se află în celulă, poate îndeplini roluri diferite. De pildă, atunci când se găsește în continuarea reticulului endoplasmatic rugos, reticulul endoplasmatic neted preia proteinele nou sintetizate și le pliază, oferindu-le aspectul tridimensional specific. În alte cazuri, controlează concentrația de ioni în 28 citosol, contribuind, astfel, la conductibilitatea și excitabilitatea neuronilor. O funcție importantă a aparatului Golgi este aceea de a sorta și de a împacheta moleculele în vezicule, ambele necesare transportului lor spre diferite părți ale neuronului. Respirația celulară are loc în mitocondrii, care se folosesc de acidul piruvic și de oxigenul din citosol pentru a asambla moleculele de ATP. Acestea sunt indispensabile multor reacții chimice din celulă. De exemplu, pompa de sodiu- potasiu, un tip de proteină transmembranară, consumă ATP pentru a face schimbul de ioni între lichidul intra- și extracelular. Ceea ce conferă neuronilor forma lor specifică este citoscheletul, format din microtubuli, microfilamente și neurofilamente. Este important, însă, să vă imaginați citoscheletul ca pe o structură tridimensională dinamică, deoarece anumite părți ale citoscheletului se reasamblează constant și sunt în continuă schimbare. Microtubulii, formați dintr-o proteină numită tubulină, traversează în lungime axonul și facilitează transportul moleculelor pe distanțe lungi. Microfilamentele se găsesc mai ales în dendrite; ele sunt ancorate în membrană, ceea ce le oferă aspectul unor pânze de păianjen. Acestea sunt compuse din actină, o proteină ce poate fi întâlnită din abundență în toate tipurile de celule. Se consideră că microtubulii reprezintă partea mai stabilă a citoscheltului neuronal, pe când microfilamentele reprezintă partea mai plastică și mai ușor de remodelat a citoscheletului. Neurofilamentele se găsesc doar în neuroni, dar sunt o subcategorie distinctă de filamente intermediare, structuri solide și foarte rezistente care intră și în compoziția celulelor din alte țesuturi. Înainte de a descrie particularitățile ultrastructurii dendritelor și axonului, trebuie precizat faptul că citosolul, precum și unele organite celulare, se regăsesc nu doar în corpul celular, ci și în dendrite și în axon. Numărul și dispunerea lor variază, însă, în funcție de nevoile metabolice și de procesele care se întâmplă local. 29 2.1.2.3. Dendritele Deoarece arborizația dendritică îndeplinește funcția receptoare a impulsului nervos, acestea prezintă formațiuni specializate pentru contactarea de sinapse, numite spini dendritici, dotate cu proteine transmembranare cu funcție de receptori postsinaptici. Aceștia detectează neurotransmițătorii din fanta sinaptică și produc schimbări în excitabilitatea membranei neuronale. Citoplasma din dendrite este asemănătoare cu cea din corpul celular, cu mențiunea că în dendrite se pot observa mai mulți ribozomi liberi, sub formă de poliribozomi. 2.1.2.4. Axonul Spre deosebire de dendrite, axonul este caracterizat de lipsa ribozomilor. În consecință, dacă este nevoie de o proteină într-o anumită parte a axonului, aceasta nu poate fi sintetizată local. Proteinele sunt, în schimb, sintetizate în corpul celular, bogat în reticul endoplasmatic rugos, sortate și împachetate de aparatul Golgi, apoi transportate de-a lungul microtubulilor. Acesta din urmă se numește transport axoplasmatic și poate fi lent (între 1 și 10 mm pe zi) sau rapid (aproximativ 1000 mm pe zi). În cazul transportului axoplasmatic rapid, moleculele sunt ambalate în vezicule și purtate de-a lungul microtubulilor, cu ajutorul unor proteine numite motoare moleculare, un proces consumator de ATP. Dacă știm direcția în care se face transportul, putem deduce ce tip de motor molecular este utilizat: de exemplu, pentru transportul anterograd (dinspre corpul celular spre capătul axonului), kinezina și, pentru transportul retrograd (dinspre capătul axonului spre corpul celular), dineina. Păstrarea configurației paralele a microtubulilor este foarte importantă pentru buna funcționare a transportului axoplasmatic. De exemplu, în boala Alzheimer, transportul axoplamatic este alterat ca urmare a modificărilor patologice ale proteinei tau, proteina care menține structura paralelă a microtubulilor. O altă particularitate importantă a 30 axonului este aceea că, la nivelul butonilor terminali, membrana plasmatică are porțiuni bogate în pori prin care neurotransmițătorii sunt eliberați în cursul semnalizării sinaptice. 2.2. Celule gliale Neuronii nu sunt singurul tip de celule din sistemul nervos. Într-un număr aproape la fel de mare, celulele gliale oferă neuronilor suport metabolic, izolare electrică, protecție imunitară ș.a. Mai mult decât atât, dovezi recente arată că funcțiile celulelor gliale sunt, de fapt, mult mai diverse, unele celule gliale putând chiar să comunice cu neuronii sau să influențeze regenerarea țesutului nervos. Există mai multe tipuri de celule gliale în sistemul nervos: astrocitele, celulele formatoare de mielină, microcitele. Fiecare dintre aceste categorii îndeplinește funcții specifice, după cum vom prezenta în continuare. 2.2.1. Astrocitele Astrocitele sunt cele mai numeroase celule gliale din SNC. O primă funcție este ilustrată de modelul tripartit al sinapsei, care consideră astrocitele ca fiind cea de-a treia componentă a sinapsei, pe lângă cea presinaptică și cea postsinaptică (ambele reprezentate de către neuroni). Membrana unei astrocite este străbătută de proteine transmembranare care fac posibilă recaptarea neurotransmițătorilor din fanta sinaptică, aceștia fiind inactivați. În acest fel, astrocitele îndeplinesc un rol foarte important în controlul semnalizării sinaptice. Astrocitele sunt capabile să furnizeze energie neuronilor, datorită macromoleculelor de glicogen pe care le stochează și din care se desface glucoza, indispensabilă pentru producția de ATP. De asemenea, astrocitele pot controla conținutul lichidului extracelular, influențând în mod direct excitabilitatea neuronilor: atunci când concentrația ionilor de K+ crește sau scade local, astrocitele restabilesc echilibrul introducând sau scoțând ioni din lichidul extracelular. O altă funcție importantă a acestor celule 31 gliale se referă la circulația sangvină. Procesele unor astrocite sunt înfășurate în jurul celor mai mici vase de sânge, numite capilare. În SNC, pereții acestor vase se compun din celule endoteliale ce aderă una de alta prin joncțiuni strânse (engl., gap junctions), formând o barieră de trecere împotriva moleculelor mari. Deoarece procesele astrocitelor acoperă aceste vase, infiltrarea moleculelor mari printre celulele endoteliale este și mai mult îngreunată. Astfel, astrocitele contribuie la barieră hemato-encefalică (celulel endoteliale cu joncțiuni strânse + astrocitele din jurul capilarului), ce protejează circulația cerebrală de moleculele potențial neurotoxice din circulația generală. Nu în ultimul rând, o categorie specială de astrocite, numite astrocite reactive, determină ce se întâmplă cu țesutul nervos după ce survine o leziune. Ele proliferează în jurul zonei afectate, formând un țesut cicatricial ce blochează regenerarea țesutului. Deși poate părea contraintuitiv, se presupune că acest blocaj ar fi unul benefic: deoarece neuroregenerarea implică și formarea de sinapse noi odată cu dezvoltarea axonilor sau cu apariția de noi neuroni, aceasta riscă să destabilizeze rețelele rămase intacte în urma leziunii. 2.2.2. Celulele formatoare de mielină Celulele formatoare de mielină sunt oligodendrocitele, în SNC, și celulele Schwann, în SNP. Mielina este formată din procesele lungi ale acestor celule, procese care se înfășoară strâns pe axoni. Teaca de mielină, astfel formată din membranele suprapuse, neexcitabile, ale proceselor celulelor formatoare de mielină, este un foarte bun izolator electric. Prin urmare, semnalul nervos este condus mult mai rapid prin axoni în prezența mielinei decât în absența ei. Există câteva diferențe care disting cele două tipuri de celule formatoare de mielină. În SNC, o singură oligodendrocită mielinizează mai mulți neuroni, pe când, în SNP, mai multe celule Schwann mielinizează un singur neuron. În plus, celulele Schwann pot ghida axonii care se regenerează 32 după o leziune. Astfel, spre deosebire de astrocitele din SNC, care blochează neuroregenerarea, celulele Schwann facilitează neuroregenerarea, în SNP. 2.2.3. Microcitele Microcitele sunt mai mici decât alte celule gliale și îndeplinesc un rol similar cu cel al celulelor din sistemul imun. Ele răspund la leziuni sau infecții curățând resturile celulare printr-un proces numit fagocitoză și declanșând răspunsuri inflamatoare. Ele intră în sistemul nervos central în perioada fetală, înainte de formarea barierei hemato-encefalice. 2.3. Celulele ependimale Celulele ependimale se află în peretele ventriculilor și produc două treimi din lichidul cefalo- rahidian. Acest lichid protejează SNC împotriva traumatismelor fizice, hrănește țesutul nervos și elimină reziduurile obținute prin procese metabolice. Celulele ependimale se găsesc pe pereții ventriculilor, în plexurile coroide. 33 Bibliografie ☞ Bibliografie obligatorie Citiți secțiunea celui de-al treilea capitol care prezintă celulele sistemului nervos: Pinel, J. P. J., & Steven J. Barnes (2018). Biopsychology (ed. a 10-a) (pp. 57-62). Pearson, Hoboken, NJ. Autoevaluare ✏ Exerciții E1. În butonul terminal al unui axon este nevoie de o anumită proteină. Ce trebuie să se întâmple pentru a face rost de această proteină și în ce ordine? Pasul 1 a. Transport axoplasmatic pe neurofilamente Pasul 2 b. Sinteza proteinei în reticul endoplasmatic rugos Pasul 3 c. Sinteza proteinei într-un ribozom liber d. Împachetarea proteinei în veziculă, prin aparatul Golgi e. Împachetarea proteinei în veziculă, prin corpusculi Nissl f. Transport axoplasmatic pe microtubuli E2. Potriviți categoria de celule gliale din prima coloană cu afirmațiile din cea de-a doua coloană. 1. Astrocite a. Răspund la leziuni și infecții prin fagocitoză 2. Celule Schwann b. Produc lichidul cefalo-rahidian (LCR) 3. Microcite c. Se găsesc în SNC 4. Oligodendrocite d. Se găsesc în SNP 5. Celule ependimale e. Produc mielină f. Pot opri neuroregenerarea 34 g. Fac parte din bariera hemato-encefalică h. Participă la sinapse i. Ghidează axonii care se regenerează după o leziune E3. Decideți dacă afirmațiile de mai jos sunt adevărate sau false. Sinteza proteinelor are loc în ribozomi. A/F Sinteza proteinelor are loc în reticulul endoplasmatic rugos. A/F Respirația celulară are loc în mitocondri. A/F Membrana plasmatică oprește orice schimb între interiorul și exteriorul celulei. A/F Proteinele transmembranare sunt legate de partea interioară a membranei plasmatice. A/F Materialul genetic părăsește nucleul pentru sinteza proteinelor. A/F Neuronii multipolari au doi sau mai mulți axoni. A/F Modelul tripartit al sinapsei afirmă că sinapsa are loc în trei etape: presinaptică, sinaptică A/F și postsinaptică. Modelul tripartit al sinapsei afirmă că sinapsa are trei componente: componenta A/F presinaptică, componenta postsinaptică și o astrocită. În SNP nu se regenerează neuroni. A/F În SNC nu se regenerează neuroni. A/F 35 Astrocitele pot să ghideze axonii care se regenerează după o leziune. A/F Celulele Schwann pot să ghideze axonii care se regenerează după o leziune. A/F Astrocitele reactive blochează neuroregenerarea după leziune. A/F Pereții vaselor capilare în SNC sunt formați din celule ependimale. A/F 36 Răspunsuri R1. 1:b, 2:d, 3:f. R2. 1: c, f, g, h 2: d, e, i 3: a, c 4: c, e 5: c, b R3. Sinteza proteinelor are loc în ribozomi. Adevărat Sinteza proteinelor are loc în reticulul endoplasmatic rugos. Adevărat Respirația celulară are loc în mitocondri. Adevărat Membrana plasmatică oprește orice schimb între interiorul și exteriorul celulei. Fals Proteinele transmembranare sunt legate de partea interioară a membranei plasmatice. Fals ⚠ Așa cum sugerează și numele lor, ele traversează membrana. Materialul genetic părăsește nucleul pentru sinteza proteinelor. Fals ⚠ O copie a materialului genetic părăsește nucleul. Neuronii multipolari au doi sau mai mulți axoni. Fals Modelul tripartit al sinapsei afirmă că sinapsa are loc în trei etape: presinaptică, sinaptică Fals și postsinaptică. 37 Modelul tripartit al sinapsei afirmă că sinapsa are trei componente: componenta Adevărat presinaptică, componenta postsinaptică și o astrocită. În SNP nu se regenerează neuroni. Fals În SNC nu se regenerează neuroni. Adevărat Astrocitele pot să ghideze axonii care se regenerează după o leziune. Fals ⚠ Astrocitele reactive blochează neuroregenerarea. Celulele Schwann pot să ghideze axonii care se regenerează după o leziune. Adevărat Astrocitele reactive blochează neuroregenerarea după o leziune. Adevărat Pereții vaselor capilare în SNC sunt formați din celule ependimale. Fals ⚠ În componența vaselor capilare intră celulele endoteliale. 38 MODULUL III Semnalizare sinaptică. Excitabilitate. Conductibilitate În continuare, veți afla cum are loc semnalizarea sinaptică și ce proprietăți ale neuronilor fac posibilă existența ei: excitabilitatea (capacitatea de a răspunde la un stimul electric) și conductibilitatea (capacitatea de a conduce activitatea electrică). Înțelegerea activității electrice din țesutul nervos necesită, însă, trecerea în revistă a câtorva concepte de bază, precum sarcina electrică și potențialul de membrană. Moleculele sunt formate din atomi. Atomii sunt, la rândul lor, alcătuiți din particule subatomice: protoni, electroni și neutroni. O proprietate importantă a particulelor, numită sarcină electrică, orchestrează comportamentul acestor particule astfel: cele cu sarcină de același semn se resping, iar cele cu sarcină de semn opus se atrag. La nivel subatomic, sarcinile electrice pot fi +1 (pentru protoni), -1 (pentru electroni) sau 0 (pentru neutroni). Atomii sunt grupuri de particule subatomice ale căror sarcini, însumate, sunt nule. Atunci când un atom pierde sau câștigă un număr de electroni, sarcina sa devenind nenulă, acesta primește numele de ion. În mod similar, moleculele sunt grupurile de atomi ale căror sarcini electrice, însumate, sunt nule. Ele primesc, de asemenea, numele de ioni atunci când atomii lor pierd sau câștigă electroni. Să luăm exemplul simplu al unui atom de sodiu. Nucleul său conține 11 protoni, fiecare având sarcina electrică +1. În jurul nucleului gravitează un număr egal de electroni, fiecare având sarcina electrică opusă, -1. Sarcina totală a atomului este, prin urmare, nulă (11 - 11). Dacă, în schimb, atomul pierde un electron, vor rămâne 10 electroni și 11 protoni. Sarcina se modifică, astfel, din 0 în +1, iar atomul de sodiu primește numele de ion de sodiu (Na+). Este important de menționat că distribuția sau concentrația ionilor din lichidul intracelular nu este identică celei din lichidul extracelular. Acest lucru determină diferențe de voltaj la nivelul 39 membranei plasmatice. Potențialul de membrană reprezintă diferența de voltaj dintre lichidul intracelular și cel extracelular. Atunci când neuronul este în repaus, potențialul de membrană are o valoare negativă și se numește potențial de repaus. În urma semnalizării sinaptice, pe anumite porțiuni de membrană, se produc mici schimbări în acest potențial. Sumate, schimbările pot declanșa potențialul de acțiune: inversarea temporară, pentru aproape 2 msec, a potențialul de repaus. Potențialul de acțiune este condus de-a lungul axonului până la nivelul arborizațiilor terminale, unde inițiază o nouă sinapsă, cu un alt neuron. 3.1. Semnalizarea sinaptică Sinapsa este zona de contact dintre două celule în care un terminal (numit presinaptic) al unui neuron comunică cu o componentă (numită postsinaptică) a celeilalte celule. Aceasta poate fi un alt neuron, însă poate fi și o celulă dintr-un alt tip de țesut (de exemplu, țesut muscular sau glandular). Procesul prin care două celule comunică între ele poartă numele generic de semnalizare celulară. Semnalizarea sinaptică este o formă de semnalizare celulară întâlnită în sistemul nervos și presupune transmiterea unui semnal electric între celule. În majoritatea cazurilor, din cauza spațiului liber dintre neuroni (fanta sinaptică dintr-o sinapsă chimică), este necesară transformarea semnalui electric într-un semnal chimic, intermediar. Acesta este reprezentat de neurotransmițători, care sunt, mai întâi, eliberați în fanta sinaptică și, apoi, detectați de proteine transmembranare speciale, numite receptori. În continuare, veți afla despre felul în care activitatea electrică a neuronilor condiționează și este condiționată, în egală măsură, de acești neurotransmițători. 3.1.1. Clasificarea sinapselor 40 Sinapsele pot fi clasificate după zona de contact, după mecanismele de semnalizare sau după neurotransmițătorii eliberați. După zona de contact, ele pot fi axo-dendritice (între butoni terminal și spini dendritici) sau axo-somatice (între butoni terminal și corp celular), axo-axonice (între o prelungire colaterală a axonului și un buton terminal) sau dendro-dendritice (între două dendrite). Cele două din urmă sunt rar întâlnite. După mecanismele de semnalizare, sinapsele pot fi electrice sau chimice. Sinapsele electrice transmit semnalul electric fără ajutorul neurotransmițătorilor, direct de pe membrana plasmatică a componentei presinaptice pe cea a terminalului postsinaptic, și sunt mai puțin numeroase decât cele chimice. Pot fi găsite, însă, în sistemul nervos fetal, între anumite categorii foarte specifice de interneuroni (de ex., interneuronii GABAergici din cortexul cerebral) și chiar între astrocite. Sinapsele chimice presupun transformarea semnalului electric într-un semnal chimic, intermediar. Structura și funcționarea sinapselor chimice vor fi prezentate pe larg în subcapitolele următoare. Nu în ultimul rând, sinapsele pot fi categorizate în funcție de neurotransmițătorii eliberați în procesul de semnalizare. De exemplu, sinapsele colinergice utilizează neurotrasmițătorul acetilcolină, cele noradrenergice, noradrenalină, cele GABAergice, acid gama-aminobutiric (GABA) ș.a.m.d. 3.1.2. Structura sinapsei În capitolul precedent, ați aflat despre astrocite că sunt unul dintre cele trei componente care participă la sinapsă, conform modelului tripartit. În continuare, veți afla structura terminalului presinaptic și cea a componentei postsinaptice. Membrana terminalului presinaptic este caracterizată de o porțiune, numită zonă activă, cu o densitate mare de pori prin care se eliberează neurotransmițătorii în fanta sinaptică. Componenta postsinaptică este caracterizată, în schimb, de o zonă membranară numită densitate postinaptică, bogată în proteine numite receptori postsinaptici ligand-dependenți, ce detectează neurotransmițătorii. Un detaliu important este acela 41 că densitatea postsinaptică are un caracter dinamic, modificându-se de zeci de ori pe minut, în funcție de numărul de cuante de neurotransmițători detectați, acest mecanism fiind important pentru neuroplasticitate. În funcție de procesele declanșate ca urmare a detectării unui neurotransmițător, receptorii postsinaptici pot fi categorizați în ionotropici sau metabotropici. Receptorii ionotropici au un canal ionic în structura lor. Cuplarea neurotransmițătorului la receptor deschide acest canal, facilitând schimbul de ioni dintre lichidul intracelular și cel extracelular. Acest lucru duce la apariția unui potențial local, de valori mici, numit potențial postinaptic. Receptorii metabotropici, în schimb, nu au un canal ionic în structura lor. Neurotransmițătorul, în acest caz, poartă numele de mesager de ordinul I. Cuplarea sa la receptorul metabotropic declanșează o cascadă de procese implicând alți mesageri, de ordinul II, ce poate duce la apariția unui potențial postsinaptic. ☞ Consultați figura 4.11. din capitolul 4 pentru o ilustrație a receptorilor. Figure 4.11. Ionotropic and metabotropic receptors. Pinel, J. P. J., & Steven J. Barnes (2018). Biopsychology (ed. a 10-a) (pp. 91). Pearson, Hoboken, NJ. 3.1.3. Funcționarea sinapsei Presupunem că sinapsa descrisă în continuare este una axo-dendritică. În acest caz, terminalul presinaptic este un buton terminal al primului neuron, iar componenta postsinaptică este un spin dendritic al celui de-al doilea neuron. Semnalizarea sinaptică implică patru etape distincte: (1) sinteza, stocarea (sau împachetarea) și transportul neurotransmițătorilor, procese prin care se obțin și se transportă neurontrasmițători în terminalul presinaptic, (2) exocitoza neurotransmițătorilor, prin care neurotransmițătorii sunt eliberați în fanta sinaptică, (3) 42 detectarea neurotransmițătorilor de către receptori și (4) degradarea sau recaptarea neurotransmițătorilor rămași în fanta sinaptică. ☞ Consultați figura 4.17. din capitolul 4 pentru o reprezentare a semnalizării sinaptice. Figure 4.17. Seven steps in neurotransmitter action: (1) synthesis, (2) storage in vesicles, (3) breakdown of any neurotransmitter leaking from the vesicles, (4) exocytosis, (5) inhibitory feedback via autoreceptors, (6) activation of postsynaptic receptors, and (7) deactivation. Pinel, J. P. J., & Steven J. Barnes (2018). Biopsychology (ed. a 10-a) (pp. 98). Pearson, Hoboken, NJ. Sinteza, stocarea și transportul neurotransmițătorilor. Există câteva categorii de neurotransmițători: de tip molecule mici, neuropeptide și opioide endogene. Neurotransmițătorii de tip molecule mici sunt acetilcolina, aminoacizi (glutamat, acid gama aminobutiric, aspartat, glicină), monoamine (catecolamine, precum dopamina, noradrenalina și adrenalina, și indolamine, precum serotonina) și neurotransmițători neconvenționali (endocanabinoide, similare canabinoidelor din marijuana). Neuropeptidele sunt proteine scurte, fiind formate din lanțuri de aminoacizi, cum ar fi oxitocina, vasopresina, grelina, leptina, colecistokinina. Neurotransmițătorii de tip molecule mici sunt, de regulă, sintetizați chiar în citoplasma butonului terminal, unde sunt împachetați în vezicule de către aparatului Golgi. În cazul neuropeptidelor, însă, sinteza și stocarea neurotransmițătorilor se întâmplă la nivelul corpului celular. În acest caz, veziculele cu neurotransmițători ajung din corp la nivelul zonei active prin transport axoplasmatic. Un neuron poate sintetiza cel mult două tipuri de neurotransmițători, o neuropeptidă și un neurotransmițător de tip molecule mici. Exocitoza neurotransmițătorilor. În cea de-a doua etapă are loc exocitoza neurotransmițătorilor, un proces prin care aceștia sunt eliberați din vezicule în fanta sinaptică. Ne 43 aflăm acum la nivelul butonului terminal, a cărui membrană plasmatică este străbătută de canale ionice, voltaj-dependente, de Ca2+. În repaus, canalele sunt închise. Atunci când un potențial de acțiune este condus până la nivelul lor, însă, se deschid și provoacă un influx masiv de ioni de Ca2+ în citoplasmă. Acesta este semnalul pe care veziculele îl așteaptă pentru a se mobiliza spre zona activă, unde se declanșează procesul de exocitoză: veziculele fuzionează cu membrana plasmatică, conținutul lor fiind expulzat în lichidul extracelular. Neurotransmițătorii ajung, astfel, în fanta sinaptică. ☞ Consultați figura 4.10. din capitolul 4 pentru o ilustrație a exocitozei neurotransmițătorilor. Figure 4.10. Schematic illustration of exocytosis. Pinel, J. P. J., & Steven J. Barnes (2018). Biopsychology (ed. a 10-a) (pp. 90). Pearson, Hoboken, NJ. Detectarea neurotransmițătorilor de către receptori. În cea de-a treia etapă, neurotransmițătorii se cuplează pe receptorii postsinaptici ligand-dependenți. Orice moleculă care se leagă de o alta poartă numele de ligand. Un receptor nu poate detecta toate tipurile de neurotransmițători, ci doar anumite tipuri. Spunem, atunci, că neurotransmițătorul care poate fi detectat de către receptor este ligand pentru acesta. Ca urmare a cuplării ligandului, se inițiază potențiale postsinaptice. Așa cum ați aflat deja, în cazul receptorilor ionotropici acestea se inițiază direct, iar în cazul celor metabotropici se inițiază prin intermediul altor proteine cu care interacționează receptorii. Degradarea sau recaptarea neurotransmițătorilor. Ultimul pas presupune curățarea fantei sinaptice de neurotransmițători. În capitolul precedent, ați aflat despre contribuția astrocitelor în această etapă. Neurotransmițătorii pot fi, însă, degradați cu ajutorul enzimelor și la nivelul fantei sinaptice. De asemenea, pot fi reintroduși în citoplasma neuronului presinaptic cu ajutorul unor 44 proteine transmembranare specializate numite transportori. Neurotransmițătorii pot fi reciclați, astfel, și folosiți în evenimente sinaptice viitoare. ☞ Consultați figura 4.12. (capitolul 4), pentru o ilustrație a mecanismelor de degradare și recaptare a neurotransmițătorilor. Figure 4.12. The two mechanisms for terminating neurotransmitter action in the synapse: reuptake and enzymatic degradation. Barnes, S. J., & Pinel, J. P. (2018). Biopsychology. (p. 92) Pearson. 3.2. Excitabilitatea Excitabilitatea este capacitatea unei celule de a răspunde electric la un stimul și presupune modificări ale potențialului de membrană. Pentru a înțelege cum apar aceste schimbări, trebuie să înțelegem, mai întâi, cum anume se menține potențialul de repaus la o valoare constantă. 3.2.1. Potențialul de repaus Comparând, în repaus, numărul ionilor aflați de o parte și de alta a membranei plasmatice, observăm mai mulți ioni de Na+ și de Cl- în lichidul extracelular, dar mai mulți ioni de K+ și mai multe proteine cu sarcină negativă în citosol. Valoarea de -70 mV a potențialului de repaus sugerează că interiorul celulei este mai puternic încărcat negativ decât exteriorul celulei. Acest potențial de repaus se menține, însă, la o valoare constantă prin acțiunea a două tipuri de mecanisme: (1) mecanisme care tind să omogenizeze ionii, și anume gradientul de concentrație și presiunea electrostatică, și (2) mecanisme care tind să distribuie inegal ionii, și anume conductibilitatea selectivă a membranei și pompa de sodiu-potasiu. 45 Mecanisme care tind să omogenizeze ionii. Gradientul de concentrație se referă la tendința ionilor de a se mișca din zone cu concentrație mare în zone cu concentrație mică. După cum ați aflat deja, distribuția ionilor nu este omogenă de-o parte și de alta a membranei plasmatice. De exemplu, știm că ionii de Na+ sunt mai numeroși în lichidul extracelular. Gradientul de concentrație ar împinge, așadar, ionii de Na+ din lichidul extracelular, bogat în Na+, înspre citosolul sărac în Na+. Pentru ionii de K+, direcția gradientului de concentrație se inversează. Ei sunt mai numeroși în citosol, așadar vor fi împinși de gradientul de concentrație din citosol înspre exteriorul celulei. Presiunea electrostatică nu se referă la distribuirea ionilor în funcție de număr, ci în funcție de sarcina lor electrică. Deoarece citosolul este mai puternic încărcat negativ în repaus, ionii pozitivi din lichidul extracelular, precum Na+ și K+, vor fi atrași spre membrană, pe când cei negativi se vor îndepărta de ea. Mecanisme care tind să distribuie inegal ionii. Permeabilitatea selectivă a membranei se referă la faptul că nu toate categoriile de ioni pot trece la fel de ușor prin membrană. Acest lucru se datorează numărului diferit de canale ionice care sunt deschise permanent. De exemplu, cele mai numeroase sunt canalele de K+. Din acest motiv, membrana este cel mai permeabilă pentru ionii de K+. Este mai puțin permeabilă pentru cei de Cl-, și mai puțin permeabilă pentru cei de Na+ când neuronul este în repaus, și, în final, cel mai slab permeabilă pentru proteine. Spre deosebire de canale, care fac un schimb pasiv, pompa de sodiu-potasiu face un schimb activ de ioni. Pentru fiecare 3 ioni de Na+ scoși din citosol, pompa de sodiu-potasiu introduce alți 2 ioni de K+, consumând ATP. Cum lucrează împreună, însă, aceste două tipuri de mecanisme pentru a menține constantă valoarea potențialului de repaus? Poate ați intuit deja că asupra ionilor de K+, gradientul de concentrație și presiunea electrostatică acționează în sensuri opuse. Asupra ionilor de Na+, însă, 46 gradientul de concentrație și presiunea electrostatică acționează în același sens: dinspre exteriorul celulei înspre interiorul celulei. Deoarece permeabilitatea selectivă a membranei face ca ionii de K+ să o traverseze mult mai ușor decât cei de Na+, ritmul în care se produc aceste schimburi de ioni nu este echivalent. Pompa de sodiu-potasiu compensează aceste forțe, acționând cu precădere împotriva gradientul de concentrație. ☞ Consultați figura 4.1. din capitolul 4 pentru o ilustrație a celor două tipuri de mecanisme. Figure 4.1. Three factors that influence the distribution of Na+ and K+ ions across the neural membrane. Barnes, S. J., & Pinel, J. P. (2018). Biopsychology. (p. 80) Pearson. 3.2.2. Potențialul de acțiune Pentru că valoarea potențialului de repaus este negativă, spunem că membrana este în stare polarizată. Atunci când potențialul membranei devine mai accentuat negativ, membrana se hiperpolarizează. Atunci când devine mai accentuat pozitiv, aceasta se depolarizează. În urma interacțiunii dintre neurotransmițători și receptori, se declanșează potențiale postsinaptice. Acestea sunt mici, de ordinul câtorva milivolți, și pot implica depolarizare sau hiperpolarizare. Altfel spus, unele potențiale post-sinaptice, numite inhibitorii, hiperpolarizează membrana, pe când altele, numite excitatorii, depolarizează membrana. De exemplu, un potențial postsinaptic care scade valoarea potențialului de membrană de la -70 mV la -72 mV ar fi unul inhibitor, pe când un potențial postsinaptic care crește potențialul de la -70 mV la +75 mV ar fi unul excitator. Pentru a se declanșa un potențial de acțiune, potențialul de membrană trebuie să atingă o anumită valoare, de cca. -65 mV, numită prag de depolarizare. La acest prag se poate ajunge atunci când sumarea spațială sau temporală a potențialelor postsinaptice, de valori mici, este îndeajuns de mare. Sumarea spațială are loc atunci când două potențiale postsinaptice apar în 47 imediată apropiere unul față de celălalt, pe porțiuni vecine de membrană. Sumarea temporală are loc atunci când două potențiale postsinaptice apar în succesiune foarte rapidă de timp, pe aceeași porțiune de membrană. Fazele potențialului de acțiune sunt cele de (1) depolarizare, (2) repolarizare și (3) posthiperpolarizare, și durează, în total, aproximativ 2 msec. Faza de depolarizare începe cu atingerea pragului de depolarizare. În acest moment, se deschid canalele voltaj-dependente de Na+, declanșând un influx de Na+. Puțin mai târziu, se deschid și canalele voltaj-dependente de K+, declanșând un eflux de K+. Potențialul de membrană crește, atingând un maxim, numit spike potențial sau overshoot. În faza de repolarizare, canalele de Na+ se închid, oprindu-se, astfel, influxul de Na+. În tot acest timp, pompa de sodiu-potasiu continuă să introducă înapoi K+ și să evacueze Na+. În ultima fază, cea de posthiperpolarizare, canalele de K+ încep să se închidă, gradual. Din această cauză, valoarea potențialului de membrană scade sub -70 mV. Datorită pompei de sodiu-potasiu, se revine în scurt timp la potențialul de repaus. ☞ Consultați figura 4.5. (capitolul 4), pentru un grafic al celor trei faze ale potențialului de acțiune. Figure 4.5. The three phases of an action potential. The opening and closing of voltage- activated sodium and potassium channels during the three phases of the action potential: rising phase, repolarization, and hyperpolarization. Pinel, J. P. J., & Steven J. Barnes (2018). Biopsychology (ed. a 10-a) (pp. 85). Pearson, Hoboken, NJ. Perioadele în care un neuron nu mai generează potențiale de acțiune poartă numele de perioade refractare. Perioadele refractare pot fi de tip absolut sau relativ. Perioada refractară absolută se suprapune aproximativ peste primele două etape ale potențialului de acțiune, dar în special peste cea de depolarizare. Declanșarea unui nou potențial de acțiune ar însemna aducerea potențialului 48 de membrană înapoi la pragul de depolarizare: imposibil, deoarece acesta este în creștere. Perioada refractară absolută limitează frecvența maximă a potențialelor de acțiune la 1000 pe secundă, și asigură conducerea potențialelor de acțiune într-un singur sens, numit ortodromic. Perioada refractară relativă se suprapune peste faza de hiperpolarizare, în care scăderea potențialului de membrană sub valoarea potențialului de repaus face ca atingerea pragului de depolarizare să necesite ca sumarea potențialelor postsinaptice să fie mai mare decât în mod obișnuit. 3.3. Conductibilitatea Conductibilitatea este capacitatea unei celule de a conduce răspunsul electric. Acesta poate fi nepropagabil sau propagabil, în funcție de mărimea lui. Particulele sunt într-o continuă mișcare: pe de-o parte, urmează o mișcare browniană, pe de altă parte, se resping sau se atrag în funcție de sarcinile lor electrice. Astfel, un ion de sodiu sau de potasiu nu va zăbovi foarte mult în apropierea membranei, după ce a traversat-o înspre interior sau exterior. Aceasta este cauza decrementului. Pentru că potențialele postsinaptice rezultă dintr-un schimb modest de ioni, au valori mici, de câțiva milivolți. Ionii se pierd în spațiul vast extracelular sau intracelular, ceea ce înseamnă că nu mai afectează potențialul de membrană. Prin urmare, un potențial postsinaptic va dispărea la scurt timp după generarea lui și nu va fi condus decât pe o porțiune neglijabilă de membrană. Astfel, este considerat nepropagabil. Un potențial de acțiune, în schimb, rezultă dintr-un schimb masiv de ioni și nu se va diminua într-un timp la fel de scurt, putând fi condus pe distanțe mai mari de- a lungul membranei. Astfel, este considerat propagabil. 3.3.1. Tipuri de conducere 49 Conducerea poate fi pasivă (fără deschiderea canalelor voltaj-dependente) sau activă (cu deschiderea canalelor voltaj-dependente), prima fiind mai rapidă decât a doua. De asemenea, conducerea poate fi realizată cu decrement (semnalul slăbește pe măsură ce este condus) sau fără decrement (semnalul rămâne constant). Potențialele postsinaptice sunt, toate, conduse pasiv, cu decrement. Potențialele de acțiune sunt conduse activ, fără decrement. 3.3.2. Conducerea potențialelor de acțiune În funcție de lipsa sau de prezența mielinei în jurul axonilor, conducerea potențialelor de acțiune poate fi continuă, în axoni nemielinizați, sau saltatorie, în axoni mielinizați. În cazul celei din urmă, semnalul este condus consecutiv între porțiuni ce întrerup teaca de mielină, numite noduri Ranvier, și este cea mai rapidă formă de conducere. 50 Bibliografie ☞ Bibliografie obligatorie Citiți cel de-al patrulea capitol din: Pinel, J. P. J., & Steven J. Barnes (2018). Biopsychology (ed. a 10-a) (pp. 77-101). Pearson, Hoboken, NJ. Autoevaluare ✏ Exerciții E1. Decideți dacă afirmațiile de mai jos sunt adevărate sau false. Toate sinapsele au loc între un axon și o dendrită. A/F Receptorii postsinaptici se află în zona activă. A/F Neurotransmițătorii ionotropici au în structura lor un canal ionic. A/F Neurotransmițătorii sunt mesageri de ordinul I. A/F Inactivarea unui neurotransmițător se poate face prin recaptarea la nivel de astrocită. A/F Prin exocitoză se eliberează neurotransmițători în fanta sinaptică. A/F Prin exocitoză se eliberează neurotransmițători în componenta postsinaptică. A/F Semnalizarea sinaptică începe cu sinteza de neurotransmițători. A/F Veziculele cu neurotransmițători se află în densitatea postsinaptică. A/F 51 Exocitoza se declanșează ca urmare a influxului de Ca la nivelul densității postsinaptice. A/F Nu există sinapse electrice. A/F Potențialele postsinaptice sunt nepropagabile. A/F Potențialul de repaus este de -70 mV. A/F Potențialele postsinaptice se pot suma temporal. A/F Potențialele postsinaptice inhibitorii scad probabilitatea declanșării potențialului de A/F acțiune. Potențialele postsinaptice excitatorii scad probabilitatea declanșării potențialului de A/F acțiune, deoarece depolarizează membrana. Potențialele post-sinaptice se declanșează prin sumare.. A/F Potențialul de acțiune se declanșează la atingerea pragului de depolarizare. A/F În faza de depolarizare se oprește influxul de Na+. A/F ✏ Teme de reflecție 1. De ce este conducerea prin axoni mielinizați mai rapidă? 2. De ce este conducerea saltatorie mai rapidă decât cea continuă? 52 Răspunsuri R1. Toate sinapsele au loc între un axon și o dendrită. Fals ⚠ Există și sinapse axo-somatice sau dendro-dendritice. Receptorii postsinaptici se află în zona activă. Fals ⚠ Zona activă se află în terminalul presinaptic, nu în componenta postsinaptică. Neurotransmițătorii ionotropici au în structura lor un canal ionic Fals ⚠ Nu există neurotransmițători ionotropici, ci receptori ionotropici. Neurotransmițătorii sunt mesageri de ordinul I. Adevărat Inactivarea unui neurotransmițător se poate face prin recaptarea la nivel de astrocită. Adevărat Prin exocitoză se eliberează neurotransmițători în fanta sinaptică. Adevărat Prin exocitoză se eliberează neurotransmițători în componenta postsinaptică. Fals ⚠ Neurotransmițătorii nu pătrund în componenta postsinaptică. Semnalizarea sinaptică începe cu sinteza de neurotransmițători. Adevărat Veziculele cu neurotransmițători se află în densitatea postsinaptică. Fals ⚠ Veziculele se află în componenta presinaptică, la nivelul zonei active. Exocitoza se declanșează ca urmare a influxului de Ca la nivelul densității postsinaptice. Fals ⚠ Este vorba despre influxul de Ca la nivelul zonei active din componenta presinaptică. 53 Nu există sinapse electrice. Fals Potențialele postsinaptice sunt nepropagabile. Adevărat Potențialul de repaus este de -70 mV. Adevărat Potențialele postsinaptice se pot suma temporal. Adevărat Potențialele postsinaptice inhibitorii scad probabilitatea declanșării potențialului de Adevărat acțiune. Potențialele postsinaptice excitatorii scad probabilitatea declanșării potențialului de Fals acțiune, deoarece depolarizează membrana. ⚠ Cresc probablitatea declanșării potențialului de acțiune. Potențialele post-sinaptice se declanșează prin sumare. Fals Potențialul de acțiune se declanșează la atingerea pragului de depolarizare. Adevărat În faza de depolarizare se oprește influxul de Na+. Fals 54 MODULUL IV Noțiuni de neuroanatomie 1. Introducere Pentru început, vom trece în revistă câteva noțiuni generale despre sistemul nervos. Aglomerările de corpuri celulare ale neuronilor alcătuiesc substanța cenușie și sunt organizate sub formă de structuri nucleare (de forma elipsoidală) sau structuri corticale (în straturi suprapuse) în sistemul nervos central și sub formă de ganglioni în sistemul nervos periferic. Structurile corticale pot fi la exteriorul sistemului nervos, dar și în profunzime, pe când nucleii de substanță cenușie sunt întotdeauna subcorticali. Mănunchiurile de axoni poartă numele de tracturi în sistemul nervos central și numele de nervi în sistemul nervos periferic, alcătuind substanța albă. Este necesară, de asemenea, cunoașterea referințelor anatomice, care ne pot ajuta să ne orientăm în sistemul nervos și să descriem structurile nervoase. Pentru vertebrate, putem descrie sistemul nervos folosind următoarele referințe: (1) anterior ‐ posterior; (2) rostral (de la lat. rostrum, bot) – caudal (de la lat. caudum, coadă) (2) dorsal (de la lat. dorsum, spate) ‐ ventral (de la lat. ventrum, burtă); și (3) medial ‐ lateral. În cazul creierului, partea anterioară este și rostrală, iar partea posterioară este și caudală. Ca să dăm câteva exemple, care vă vor deveni mai clare pe măsură ce citiți acest modul, lobul frontal este în partea anterioară, iar lobul occipital este în partea posterioară a emisferelor cerebrale. Pe o altă axă, lobul frontal este în partea dorsală, iar lobul temporal în partea ventrală a emisferelor cerebrale. În fine, ventriculii laterali sunt în partea medială a emisferelor cerebrale, iar cortexul temporal pe suprafața laterală a emisferelor cerebrale. 55 ☞ Consultați figura 3.14. din capitolul 3 pentru o ilustrație a referințelor anatomice. Figure 3.14. (a) Anatomical directions in representative vertebrates, my

Introducere în Neuroștiințe - Curs Universitatea Babeș-Bolyai PDF

Document Details

Tags

Related

Summary

Full Transcript

Upgrade to continue