Struttura delle Esercitazioni e Introduzione alla Neurofisiologia Sensoriale PDF

STRUTTURA DELLE ESERCITAZIONI E INTRODUZIONE ALLA NEUROFISIOLOGIA SENSORIALE Le esercitazioni saranno strutturate in modo interattivo: Prime 2 Lezioni (4 ore): Analisi di dati sperimentali in aula, con gli studenti chiamati a spiegare i fenomeni osservati. Successive 3-4 Lezioni: L...

STRUTTURA DELLE ESERCITAZIONI E INTRODUZIONE ALLA NEUROFISIOLOGIA SENSORIALE Le esercitazioni saranno strutturate in modo interattivo: Prime 2 Lezioni (4 ore): Analisi di dati sperimentali in aula, con gli studenti chiamati a spiegare i fenomeni osservati. Successive 3-4 Lezioni: Lettura di "reading" scientifici in classe, seguiti da presentazioni in gruppo sui punti salienti (con un focus su aree come i recettori tattili e il condizionamento dei riflessi a fini terapeutici). Introduzione: Rielaborazione dei Concetti Precedenti e Inizio della Neurofisiologia Sensoriale Riprendiamo i concetti di neurofisiologia, partendo dal potenziale di membrana: Potenziali Graduati: Variazioni di potenziale indotte artificialmente (con elettrodi, aghi), differenti da quelle fisiologiche causate da meccanismi di membrana. Stimoli Sensoriali: Tra gli elementi esterni che influenzano il potenziale di membrana, gli stimoli sensoriali sono di primaria importanza. Quindi, questa parte del corso introduce i sistemi sensoriali, partendo dalle proprietà comuni a tutti i sistemi e proseguendo con: Sensibilità Tattile  Sensibilità Propriocettiva Sensibilità Termica Sensibilità Dolorifica Sensi Speciali (Vista, Udito in dettaglio; Olfatto, Gusto in sintesi) Il Ruolo dei Sistemi Sensoriali nell'Omeostasi Funzione: I sistemi sensoriali ci permettono di percepire sia l'ambiente esterno che interno. Omeostasi: Lo scopo principale è mantenere i parametri fisiologici (pressione di CO2 e O2, pressione arteriosa, glicemia) entro un range di normalità, essenziale per la sopravvivenza. Processo: I recettori rilevano le variazioni, i centri di controllo comparano i parametri con i valori corretti, e gli effettori agiscono per compensare le deviazioni. Principi Generali dei Sistemi Sensoriali 1. Interazione con l'Energia: La percezione richiede un'interazione con una forma di energia. Questa interazione, per forza di cose, perturba la fonte da cui l'energia proviene (come nel principio di indeterminazione). 2. Trasduzione: I recettori sensoriali traducono una forma di energia in un segnale elettrico, modulando il potenziale di membrana. Questo processo non è una trasformazione totale, ma un utilizzo di una piccola parte dell'energia per modulare un'altra forma di energia (analogia del rubinetto). Il gradiente elettrochimico è la "pompa" di corrente nel contesto cellulare. 3. Potenziale d'Azione: Il segnale viene poi trasmesso tramite potenziali d'azione. Questi, pur essendo essenziali per la comunicazione a distanza, sono una perdita di fedeltà rispetto al segnale analogico originale (conversione ampiezza-frequenza). Classificazione dei Recettori Sensoriali Classificazione Funzionale: Esterocettori: Informazioni sull'ambiente esterno. Enterocettori: Informazioni sull'ambiente interno (con particolare focus sui propriocettori). Propriocettori: Informazioni sulla posizione e il movimento dei segmenti corporei. Classificazione in Base alla Natura dello Stimolo: Meccanocettori: Rispondono a stimoli meccanici (tatto, udito, ecc.). Termocettori: Rispondono a variazioni di temperatura. Fotocettori: Rispondono alla luce. Chemocettori: Rispondono a sostanze chimiche (gusto, omeostasi, ecc.). Osmocettori: Rispondono alla pressione osmotica. Nocicettori: Rispondono a stimoli potenzialmente dannosi ("troppo" di qualcosa). Coscienza della Percezione Non tutti gli stimoli sono percepiti a livello cosciente (es. radiazione nucleare, pressione parziale di O2/CO2, glicemia). Stimoli di cui siamo coscienti: 5 Sensi classici (vista, udito, gusto, olfatto, tatto) Equilibrio Propriocezione (consapevolezza della posizione e movimento del corpo, ma non del dettaglio di ogni muscolo). Requisiti per la Risposta di un Sistema Sensoriale Intensità Minima: Uno stimolo deve superare una certa intensità per essere rilevato (es. suoni bassi, luci tenui). Specificità: I recettori sono specifici per diversi tipi di stimolo (anche se stimoli intensi aspecifici possono attivare un recettore). Meccanismi di Trasduzione I recettori sensoriali usano meccanismi di membrana per rispondere a stimoli: 1. Meccanocettori: Canali ionici che si aprono quando la membrana viene stirata, simili ai recettori ionotropi. 2. Fotorecettori: Fotone → Rodopsina (o cono-opsina) → Attivazione di proteine → Attivazione di fosfodiesterasi → Riduzione di GMP-ciclico → Chiusura dei canali al sodio. 3. Recettori Olfattivi: Molecola odorante → Recettore specifico → Attivazione di adenilato ciclasi tramite proteina G → Aumento di AMP ciclico → Apertura dei canali ionici. Segnalazione anche del calcio con modulazione retroattiva. (Notare la somiglianza del meccanismo con i recettori post-sinaptici metabolici). Correnti e Potenziali di Recettore  Stimolo → Corrente di Recettore → Potenziale di Recettore I potenziali di recettore sono graduati, simili ai potenziali post-sinaptici. Possono essere eccitatori (es. tattili, gustativi, olfattivi) o inibitori (es. visivi). Tipi di Recettori Sensoriali Termine "Recettore": Può riferirsi sia alla proteina transmembrana che all'intera cellula o cascata di cellule coinvolte nella rilevazione del segnale. Recettori Sensoriali e Neuroni: Recettori Termici e Dolorifici: Terminazioni libere del neurone. Recettori Olfattivi: Terminazioni dendritiche del neurone olfattivo. Recettori Gustativi e Uditivi: Cellule specializzate che rilasciano neurotrasmettitore sul neurone afferente (simili alla sinapsi neuromuscolare). Recettori Visivi: Complessa cascata di cellule con integrazione analogica prima del potenziale d'azione nel neurone gangliare. Classificazione dei Recettori (Semplici, Secondari, Ipercomplessi) Recettori Semplici (Primari): Il potenziale generatore nasce nella porzione del neurone che trasmette il segnale (terminazione libera o incapsulata). Tuttavia, nel tatto, la distinzione non è così netta, con possibili rilasci di neurotrasmettitori dalle cellule perirecettoriali. Recettori Secondari (Complessi): Il potenziale nasce in una cellula specializzata che poi fa sinapsi con un neurone afferente.  Recettori Ipercomplessi (Caso della Vista): Includono una serie di elaborazioni del segnale prima del potenziale d'azione nella cellula gangliare, l'unica cellula della retina che fa potenziale d'azione. content_copy download Use code with caution. Markdown NATURA DELLA CORRENTE GENERATRICE E RELAZIONE STIMOLO- RISPOSTA Natura della Corrente Generatrice Canali Cationici Aspecifici: La maggior parte dei recettori sensoriali utilizza canali cationici aspecifici, simili ai canali nAChR (recettori nicotinici) della placca neuromuscolare. Flusso Ionico: Principalmente ingresso di sodio (Na+), a causa del suo grande gradiente elettrochimico; un po' di uscita di potassio (K+); un piccolo ingresso di calcio (Ca2+). Ruolo del Calcio: Il calcio entra nonostante la bassa concentrazione extracellulare a causa del suo potenziale di equilibrio elevato. Studio con Tetrodotossina (TTX): Blocco dei Canali Voltaggio-Dipendenti al Na+: La TTX, bloccando i canali voltaggio- dipendenti al Na+, evidenzia l'attività dei canali meccano-dipendenti. Relazione Corrente-Potenziale: Inibendo il potenziale d'azione e imponendo con una pila potenziali di membrana diversi, si scopre che la relazione corrente-potenziale dei canali meccano-dipendenti è una retta con un potenziale di inversione a 0 mV. Relazione Ingresso-Uscita (Stimolo-Risposta) Relazione Logaritmica: In generale, la relazione tra stimolo e risposta è logaritmica. Modello Interpretativo vs. Verifica Sperimentale: Un modello interpretativo deve essere confermato da dati sperimentali su tutto il dominio di esistenza della funzione modellata. Intensità dello Stimolo: L'ampiezza del potenziale cresce con l'intensità dello stimolo. La frequenza dei potenziali d'azione è anch'essa correlata all'intensità dello stimolo in modo logaritmico. Recettori Silenti a Riposo e Recettori Tonicamente Attivi Recettori Silenti a Riposo: Non attivi in assenza di stimolo (es. recettori tattili, dolorifici). Recettori Tonicamente Attivi: Attivi anche in assenza di stimolo, con una certa frequenza di scarica di base: Coni e Bastoncelli: Depolarizzati al buio. Cellule Ciliate dell'Orecchio: Depolarizzate quando le ciglia sono diritte, con una frequenza di scarica di base. La deflessione delle ciglia in un senso causa depolarizzazione, nel senso opposto iperpolarizzazione. Dinamica del Potenziale Generatore: Adattamento Adattamento: Il potenziale generatore non segue sempre l'andamento dello stimolo. L'adattamento è un meccanismo che permette di concentrarsi sulle variazioni dello stimolo, ignorando le informazioni costanti (es. sensazione della mano sul tavolo). Filtro Passa-Alto: L'adattamento è un filtro passa alto, che attenua le componenti lente del segnale, evidenziando le variazioni. Esempio del Fuso Neuromuscolare Stiramento Muscolare: Studiando il fuso neuromuscolare, si nota che la frequenza di scarica dipende dalla velocità dello stiramento, non solo dall'entità dello stiramento. Overshoot: La frequenza di scarica nella fase iniziale è tanto maggiore quanto più rapida (ripida) è la fase di stiramento. Tipologie di Recettori in Base all'Adattamento Recettori a Rapido Adattamento: Rispondono principalmente alle variazioni dello stimolo, la loro frequenza di scarica diminuisce rapidamente se lo stimolo è mantenuto costante. Recettori a Lento Adattamento: Mantengono la scarica durante tutta la durata dello stimolo, codificando la durata e l'intensità dello stimolo. Adattamento e Derivata Meccanismi dell'Adattamento: L'adattamento è dovuto a proprietà sia della membrana recettoriale che della cellula stessa. Membrana Recettoriale: Alcuni recettori si aprono e si chiudono (o si inattivano) anche mantenendo costante la stimolazione. Meccanismi Cellulari: La cellula stessa utilizza meccanismi di canali e ioni per comportarsi come una combinazione di stimolo e derivata. Filtro Passa-Alto e Derivata: Il filtro passa alto agisce come una derivata, amplificando le variazioni del segnale. La derivata del segnale viene sommata al segnale stesso, enfatizzandone le variazioni. Combinazione Lineare: La risposta finale è data dalla combinazione lineare della componente  proporzionale allo stimolo e della derivata dello stimolo. Derivata Prima e Derivata Seconda: La derivata prima risalta le variazioni di posizione, mentre la derivata seconda, ottenuta con meccanismi di membrana e con il meccanismo di trasduzione corrente-frequenza nel neurone afferente, risalta l'accelerazione. Questo spiega come i recettori come i fusi neuromuscolari rispondano anche all'accelerazione. In Sintesi: L'adattamento sensoriale è un meccanismo complesso che coinvolge proprietà della membrana, della cellula recettoriale e la derivata del segnale, permettendo al sistema nervoso di concentrarsi sulle informazioni più rilevanti, ovvero i cambiamenti nell'ambiente. TRASDUZIONE DELL'INTENSITÀ DELLO STIMOLO IN FREQUENZA DI SCARICA Meccanismo di Conversione Corrente-Frequenza Applicabilità: Questo meccanismo vale sia per i neuroni sensoriali che per i motoneuroni. Conversione: Trasforma una corrente stimolante (potenziale graduato) in una scarica di potenziali d'azione la cui frequenza dipende dall'intensità del potenziale graduato e dall'adattamento. Soglia e Reobase Soglia: Per generare un potenziale d'azione, la zona trigger del neurone deve raggiungere la soglia (es. -50 mV). Reobase: La corrente minima necessaria per portare la membrana a soglia. Dipende dalle dimensioni del soma: Soma Piccolo: Richiede meno corrente, perché questa si disperde meno. Soma Grande: Richiede più corrente, perché questa si disperde di più nel citoplasma. Generazione dei Potenziali d'Azione e Correnti Ioniche 1. Applicazione della Reobase: La corrente stimolante minima (Reobase) provoca l'apertura dei canali ionici, la membrana si carica e genera il primo potenziale d'azione (spike). 2. Flusso Ionico Durante il Potenziale d'Azione: Ingresso di Na+: Causa depolarizzazione. Ingresso di Ca2+: Apre canali al K+ calcio-dipendenti. Uscita di K+: La corrente di K+ contrasta la corrente entrante di Na+. 3. Equilibrio di Correnti: All'inizio, l'equilibrio Na+-K+ è perturbato da un ingresso di corrente stimolante. Dopo il primo spike, la corrente di K+ si oppone alla corrente di Na+, che è costante nel tempo. 4. Ripristino del Potenziale di Riposo: Estrazione del Ca2+: Le pompe ATPasiche e gli scambiatori Na+-Ca2+ estrudono il Ca2+. Chiusura dei Canali al K+: La diminuzione del Ca2+ intracellulare porta alla chiusura dei canali al K+, per cui la corrente di potassio si riduce Raggiungimento della Soglia: La corrente efficace torna a soglia quando la corrente di K+ si riduce. Frequenza Minima di Scarica Reobase e Interspike: La Reobase corrisponde a un interspike di circa 100 ms (frequenza minima di mantenimento). Aumento della Corrente Stimolante Stimolo > Reobase: L'aumento della corrente stimolante (maggiore della Reobase) porta ad un accorciamento dell'intervallo tra gli spike. Entrata di Na+ e Ca2+: La quantità di Na+ e Ca2+ in ingresso è sempre la stessa per ogni spike, perché la depolarizzazione è sempre la stessa. Corrente di K+ Incompleta: La corrente di K+ non riesce a compensare completamente la corrente di Na+ entrante. Sommazione del Ca2+: In ogni spike, il Ca2+ entra nella cellula e si somma a quello già presente, causando un aumento della corrente di potassio di conseguenza una iperpolarizzazione che si va a sommare. Adattamento e Refrattarietà Postuma Relativa Accorciamento degli Intervalli: Con stimoli più forti, gli spike avvengono prima che il Ca2+ venga completamente escluso dalla cellula, poiché la corrente di potassio è maggiore. Adattamento: Il terzo intervallo (e quelli successivi) è maggiore del primo, questo è dovuto al progressivo accumulo di calcio e si chiama adattamento. Questo è il meccanismo con cui una cellula sensoriale o motoria aggiunge una componente derivativa alla frequenza di scarica. Costante di Tempo: La durata del transitorio è legata alla costante di tempo, la quale è a sua volta legata alla velocità con cui la cellula espelle il calcio.  Relazione Stimolo/Risposta: Se prima avevamo parlato di una rampa, nel caso della frequenza di scarica stiamo considerando il gradino. Refrattarietà e Limiti di Frequenza Refrattarietà Assoluta: Dura circa 1 ms, limita la frequenza massima di scarica a circa 500 Hz. Ritardi Neuronali: I ritardi neuronali riducono ulteriormente la frequenza di scarica tipica a circa 250 Hz. Gamma Dinamica: L'intervallo di frequenza utile va da 10 Hz (stimolo minimo) a 200 Hz (stimolo massimo). In Sintesi: Il meccanismo di trasduzione intensità-frequenza è basato sul bilancio tra correnti entranti ed uscenti, modulate dal Ca2+. L'adattamento, dovuto a modifiche nella conduttanza ionica e alla somma di Ca2+, introduce una componente derivativa nella risposta del neurone, permettendo una codifica più dinamica dell'informazione. La refrattarietà limita la massima frequenza di scarica possibile. PROPRIETÀ GENERALI DELLE VIE SENSORIALI Organizzazione Macroscopica delle Vie Afferenti Unità Sensoriale: Insieme delle terminazioni recettoriali di un neurone afferente. Campo Recettivo: Territorio di innervazione di un neurone sensoriale. Neuroni Sensoriali: Ogni neurone sensoriale ha un proprio campo recettivo. Neurone Sensoriale Primario (1° Ordine): Riceve informazioni dalla periferia e fa sinapsi nel midollo spinale o nel tronco encefalico. Neurone Sensoriale Secondario (2° Ordine): Fa sinapsi nel talamo (con alcune eccezioni). Neurone Sensoriale Terziario (3° Ordine): Proietta dalla talamo alla corteccia. Organizzazione Tri-Neuronica: In generale, le vie afferenti sono organizzate con tre neuroni. Fenomeno della Convergenza Definizione: I neuroni sensoriali che innervano campi recettivi adiacenti convergono su un unico neurone postsinaptico (di ordine superiore). Sommazione: Molti stimoli sottosoglia possono sommarsi a livello del neurone postsinaptico. Campo Recettivo Secondario: I campi recettivi dei neuroni primari che convergono si sommano per formare un campo recettivo secondario più grande. Percezione Unitaria: Stimoli che cadono nello stesso campo secondario sono percepiti come un unico stimolo dal cervello. Il cervello non discrimina tra questi stimoli. Parametri dello Stimolo Percepiti dal SNC I. Quantità/Intensità Intensità della Percezione: Correlata all'intensità dello stimolo. Soglia: L'intensità minima dello stimolo per essere percepito. Codifica dell'Intensità: 1. Codifica in Frequenza: La frequenza dei potenziali d'azione è proporzionale all'intensità dello stimolo. 2. Codifica di Popolazione: Più recettori sono attivati, maggiore è l'intensità percepita. Soglie Differenziate: I recettori hanno soglie diverse, i più sensibili si attivano con stimoli di bassa intensità, quelli meno sensibili con stimoli di maggiore intensità. Rapporto tra Intensità della Percezione e della Stimolazione Psicofisica: Studia il rapporto tra lo stimolo fisico e la percezione soggettiva. Metodi di Studio: 1. Confronto di Stimoli: Vedere la minima differenza di intensità percepibile tra due stimoli. 2. Valutazione Soggettiva: Chiedere di valutare l'intensità di uno stimolo su una scala (es. da 1 a 10). 3. Multipli della Soglia: Usare multipli della soglia minima come riferimento. 4. Cross Modality: Stimare l'intensità di uno stimolo basandosi sulla percezione di un altro (es. pressione su un tasto che produce un suono). Leggi Fondamentali: 1. Legge di Weber 2. Legge di Stevens Legge di Weber Soglia Differenziale (JND): La differenza minima di intensità che uno stimolo deve avere per essere percepito come diverso da un altro.  Proporzionalità: La JND è proporzionale all'intensità dello stimolo base. La percezione di lievi variazioni è più facile per stimoli deboli. Frazione Costante: La JND è pari a una frazione costante dell'intensità dello stimolo iniziale (ΔI/I = k). Legge di Fechner Sensazione Logaritmica: La sensazione è proporzionale al logaritmo dell'intensità dello stimolo (S = k log I). Crescita Esponenziale: Per aumentare la sensazione, lo stimolo deve aumentare in modo esponenziale. Legge di Stevens Stima di Grandezza: I soggetti stimano l'intensità di stimoli diversi rispetto ad uno stimolo di riferimento. Funzione Potenza: La percezione è proporzionale a una potenza dell'intensità dello stimolo (S = k I^n). Maggiore Accuratezza: Descrive meglio un ampio range di intensità rispetto a Weber-Fechner. II. Modalità e Qualità Modalità: Il tipo di stimolo a cui un recettore è sensibile (es. tatto, temperatura). Qualità: Suddivisioni all'interno di una modalità (es. colori nella visione, gusti primari nel gusto). Specificità dei Recettori: Modalità e qualità sono percepite grazie a recettori specifici. Vie Specializzate: Le diverse modalità sensoriali seguono fasci specializzati verso aree corticali specializzate. Codice della Linea Marcata: Il cervello associa un segnale da uno specifico gruppo di recettori a una modalità specifica.  Stimolazione Artificiale: La stimolazione di recettori (anche artificiale) evoca la sensazione della modalità corrispondente. III. Localizzazione della Sensazione (Topognosi) Codifica: La posizione dello stimolo è codificata in base ai campi recettivi attivati. Disposizione Topografica: I centri cerebrali conservano la disposizione topografica dei recettori periferici. Proiezione Mentale: L'attività neuronale è proiettata mentalmente sul punto di innervazione (es. la sensazione di scossa al gomito è proiettata alle ultime due dita). Precisione della Localizzazione: Dipende da: Dimensione dei campi recettivi. Densità di innervazione. Ridotta convergenza lungo le vie centrali. Presenza di inibizione laterale. Acuità Sensoriale: Varia a seconda della zona corporea (maggiore nei polpastrelli, minore sulla schiena). Fattori che Influenzano l'Acuità 1. Dimensione dei Campi Recettivi: Più piccoli sono i campi, maggiore è l'acuità. 2. Convergenza: La convergenza riduce l'acuità: Minore convergenza (es. mano) = maggiore acuità. Maggiore convergenza (es. schiena) = minore acuità. Miglioramento dell'Acuità Massimo Sfruttamento dei Recettori: Riducendo le loro dimensioni. Inibizione Laterale: Aumenta il contrasto tra le zone attivate e quelle vicine, migliorando la precisione spaziale dello stimolo. Meccanismo dell'Inibizione Laterale: 1. Uno stimolo eccita un gruppo di neuroni sensoriali primari. 2. Questi rilasciano neurotrasmettitori sui neuroni secondari. 3. Il neurone secondario più vicino allo stimolo inibisce i neuroni secondari adiacenti. 4. Aumento del contrasto e maggiore definizione spaziale dello stimolo.