Fisiologia Umana - Approfondimento PDF

FISIOLOGIA UMANA - 2°ANNO SCIENZE MOTORIE TESTO: FISIOLOGIA – D’ANGELO/PERES – EDIZIONI ERMES PROF: GUATTEO – ESAME SCRITTO + ORALE FACOLTATIVO (SI PUO’ NON FARE SE ALLO SCRITTO SI PRENDE PIU DI 25) 48 TRA RISPOSTE M...

FISIOLOGIA UMANA - 2°ANNO SCIENZE MOTORIE TESTO: FISIOLOGIA – D’ANGELO/PERES – EDIZIONI ERMES PROF: GUATTEO – ESAME SCRITTO + ORALE FACOLTATIVO (SI PUO’ NON FARE SE ALLO SCRITTO SI PRENDE PIU DI 25) 48 TRA RISPOSTE MULTIPLE E VERO FALSO (+1/-0.50), 4 DOMANDE APERTE (+2) CAPITOLO 1: COMPARTIMENTI E LIQUIDI DELL’ORGANISMO Nel corpo umano ci sono sistemi/apparati chiusi o aperti. Si definiscono aperti infatti, quelli che hanno uno sbocco verso l’esterno (esempio: apparato respiratorio o apparato digerente). Tutti gli apparati collaborano e lavorano in sinergia tra loro. Il principale liquido presente nel corpo umano è l’acqua. L’acqua del corpo umano è situata principalmente nelle cellule, un’altra buona parte di acqua la si trova nel liquido interstiziale che si trova tra le cellule (sarebbe lo spazio che separa una cellula e un’altra) mentre la restante parte di acqua si trova nel plasma sanguigno. Quindi l’acqua si trova in tre compartimenti:  Cellulare (citoplasma delle cellule)  Extra-cellulare (liquido interstiziale)  Plasma sanguigno (circolazione) Il passaggio dell’acqua tra questi tre compartimenti è regolato dalla pressione idrostatica generata dalla pompa cardiaca (il cuore, sposta acqua dalla circolazione al liquido interstiziale) e dalla pressione osmotica che contrasta quella idrostatica ed evita che l’acqua entri tutta nel liquido interstiziale dalla circolazione e la sposta nella cellula grazie ai suoi osmoliti. Il passaggio dell’acqua nei tre compartimenti infatti, è sempre finalizzato all’equilibrio osmotico, cioè l’acqua deve essere presente in tutti e tre i compartimenti, compartimenti che hanno la stessa pressione osmotica. Il percorso che l’acqua fa è il seguente: 1. Parte dal torrente circolatorio (circolazione sanguigna) 2. Poi passa nel liquido interstiziale 3. Entra nelle cellule Si può facilmente dedurre quindi che se manca l’acqua nel sangue, anche gli altri due compartimenti ne risentiranno e vedranno diminuire il loro livello di acqua. 1  CAPITOLO 1.1: I SOLUTI DELL’ACQUA I soluti dell’acqua non possono passare facilmente tra un compartimento e l’altro. I principali soluti, in forma ionica (cioè con carica positiva), sono:  Sodio, si accumula principalmente nel plasma e nello spazio extra-cellulare (145 mM), in quantità minore nelle cellule (15-40 mM)  Potassio, si accumula principalmente nel citoplasma delle cellule (quindi spazio cellulare, 150 mM), presente in quantità minime negli altri due compartimenti (4-5 mM)  Cloro, si accumula principalmente nello spazio extra-cellulare e nel plasma sanguigno (100 mM), molto meno presente invece nelle cellule (10-40 mM)  Proteine, si accumulano principalmente e in grande quantità nelle cellule (200 mM), presenti anche nel plasma (70 mM), totalmente assenti nello spazio extra-cellulare (0 mM) Sodio e potassio sono presenti nel corpo sotto forma di cationi, quindi con 1 elettrone in meno e conseguente carica positiva. Il cloro invece è un anione con 1 elettrone in più e quindi carica negativa. Le proteine spesso le troviamo come proteinati e quindi con carica negativa. Come detto, l’acqua passa liberamente mentre i soluti no. Questi ultimi inoltre, sono concentrati in modo asimmetrico nei tre compartimenti. Il gradiente di concentrazione è infatti dato proprio dalla concentrazione asimmetrica del soluto ai due lati della membrana (cioè da un lato è maggiore la sua concentrazione mentre dall’altro è minore). I soluti quindi tenderanno a diffondersi secondo gradiente. CAPITOLO 1.2: LA MEMBRANA PLASMATICA E I SUOI COMPONENTI La membrana plasmatica delle cellule, è formata da un doppio strato di fosfolipidi (lipidi anfipatici che hanno una testa polare idrofila e una coda idrofoba). La membrana plasmatica è un mosaico fluido, cioè tutte le sue componenti sono in continuo movimento (le uniche a non muoversi sono le proteine strutturali che sono ancorate al citoscheletro della cellula e che quindi non possono muoversi). La membrana inoltre, può veder variare la sua consistenza, a seconda delle esigenze del corpo, grazie al colesterolo che la irrigidisce o la fluidifica. Il colesterolo è infatti un altro lipide presente in grande quantità nelle membrane plasmatiche, quasi sempre apolare, e si va a mettere tra le code anfipatiche dei fosfolipidi che compongono il doppio strato. Il terzo e ultimo lipide che compone le membrane plasmatiche è il glicolipide. Il doppio strato è attraversato dalle proteine plasmatiche. Queste proteine plasmatiche non sono altro che le proteine di membrana, specifiche di ogni tipo di cellula (cioè ogni cellula, a seconda di dove si trova nel corpo, ha delle particolari proteine di membrana, che danno anche la “specializzazione” alla cellula). 2 Le proteine di membrana possono essere intrinseche (se attraversano completamente il doppio strato, più difficili da rimuovere) o estrinseche (se attraversano solo in parte il doppio strato, si possono rimuovere abbastanza facilmente e senza sfaldare la membrana). Le proteine di membrana, come detto, conferiscono le specifiche caratteristiche funzionali della membrana plasmatica. Queste proteine possono avere struttura ad alfa-elica (in questo caso, graficamente, si indicano con un “bastoncino verticale”) o a beta-foglietto (graficamente si indicano con delle “frecce che si intersecano tra loro”). Le proteine di membrana possono essere:  Proteine strutturali, mantengono la forma della cellula, ancorate al citoscheletro e non possono quindi muoversi  Enzimi, catalizzatori di reazioni chimiche  Recettori, un recettore è in grado di recepire una e una sola sostanza, quindi sono specifici per ogni sostanza  Canali e trasportatori (proteine carrier/trasfer ecc.) CAPITOLO 1.2.1: TIPI DI TRASPORTO ATTRAVERSO LA MEMBRANA PLASMATICA Il trasporto delle sostanze attraverso la membrana plasmatica può essere:  Trasporto Passivo (NON usa energia) che si divide in o Diffusione semplice o Diffusione facilitata  Trasporto Attivo (USA energia) che si divide in o Attivo Primario (contro gradiente, uso diretto di ATP) o Attivo Secondario (contro gradiente, uso indiretto di ATP) o Co-trasporto ionico 3  CAPITOLO 1.2.1.1: TRASPORTO PASSIVO – DIFFUSIONE SEMPLICE E LEGGE DI FICK Il primo tipo di trasporto passivo è, come detto, la diffusione semplice, cioè la diffusione delle sostanze secondo gradiente di concentrazione (da dov’è di più a dove ne è meno) e quindi senza problemi né uso di energia. Interessa sostanze lipofile. Avviene, per esempio, negli alveoli polmonari. La diffusione semplice è soggetta alla 1° Legge di Fick che afferma che sono presenti due flussi opposti e che la differenza tra questi due dà il flusso netto del passaggio. La legge di Fick è: 𝑨 𝑫 𝒓 (𝑪𝒔𝟐 – 𝑪𝑺𝟏) Jn = J12 – J21 = - 𝒅 QUINDI 𝑱𝒏 = P (Cs2 – CS1) 𝑨 Con:  Jn = flusso netto  J12 = flusso sostanza da compartimento 1 a compartimento 2 (entrata)  J21 = flusso sostanza da compartimento 2 a compartimento 1 (uscita)  A = area della superficie/membrana dove avviene il passaggio  D = coefficienze di diffusione  r = coefficiente di ripartizione  d = spessore della membrana  (Cs2 – CS1) = concentrazione della sostanza 1 e 2 ai due lati della membrana CAPITOLO 1.2.1.2: TRASPORTO PASSIVO – DIFFUSIONE FACILITATA Il secondo tipo di trasporto passivo è la diffusione facilitata, cioè le sostanze si diffondono grazie a dei trasportatori o grazie a dei canali (carrier) che fanno passare le sostanze da una parte all’altra della membrana. Anche questo tipo di diffusione avviene secondo gradiente, senza uso di energia e ogni trasportatore/canale è specifico di un solo tipo di sostanza (quindi fa passare solo quella). Interessa quasi sempre sostanze idrofile e quindi polari. Rispetto alla diffusione semplice è più lenta in quanto in questo caso il trasportatore può essere saturo (occupato) e quindi bisogna aspettare che si liberi (completando il passaggio già in corso) per avviare un nuovo passaggio. La saturazione dei trasportatori infatti è ben visibile anche dal grafico che descrive questa funzione. La curva che descrive questo tipo di trasporto infatti è simile a quella di una reazione enzimatica, cioè arrivati a un certo punto del passaggio, la velocità si stabilizza perché si saturano gli enzimi/proteine trasportatori e quindi, anche aumentando il substrato, la velocità non cambia (cambia solamente se aumentiamo la quantità di trasportatori presenti). 4 Possono intervenire nel trasporto anche degli inibitori competitivi (inibisce l’enzima occupando il suo sito attivo) o inibitori non competitivi (inibisce l’enzima legandosi a un sito diverso da quello attivo, velocità ridotta molto di più rispetto a quelli competitivi) che ne abbassano la velocità. CAPITOLO 1.2.1.3: TRASPORTO ATTIVO PRIMARIO – POMPA SODIO-POTASSIO E POMPA CALCICA Il primo tipo di trasporto attivo è quello primario. Le sostanze vengono spostante contro gradiente (da dove è meno a dove è più). E’ un tipo di trasporto che usa direttamente energia idrolizzando ATP (ATPasi). L’energia viene usata dai trasportatori. Questo tipo di trasporto può usare:  Una pompa protonica  Una pompa del calcio/calcica  Una pompa sodio-potassio (la più importante delle tre) La pompa sodio-potassio (Na+/K+) è formata da due sub-unità (a e b). E’ una pompa che utilizza molta energia (dal 30% al 70% di ATP cellulare), soprattutto nei neuroni. Come si capisce anche dal nome, è una pompa che scambia sodio e potassio con un rapporto di 3-2 (cioè escono 3 molecole di sodio e ne entrano 2 di potassio, quindi all’interno ci sarà un esubero di cariche negative), questo rapporto genera quindi una differenza di potenziale. Come si può vedere dalla figura a lato, le fasi del passaggio sodio-potassio fatto da questa pompa, sono 6. Nella fase 2 e nella fase 5 avviene rispettivamente la fosforilazione e de-fosforilazione dell’ATP. La funzione quindi di questa pompa è quella di mantenere stabile i livelli di potassio e sodio ai due lati della membrana (infatti i due soluti si accumulano in zone differenti come descritto nei capitoli precedenti). E’ una pompa che lavora costantemente perché deve continuamente contrastare l’effetto di altre proteine (si trovano soprattutto sulle cellule eccitabili) che fanno esattamente l’azione opposta, cioè portano dentro sodio e fanno uscire potassio (proteine che troviamo nel trasporto attivo secondario e che fanno entrare il sodio secondo gradiente). 5 La pompa calcica/del calcio spinge il calcio contro gradiente di concentrazione. E’ una pompa che sposta unicamente questa sostanza, senza scambiare altro. Questa pompa spinge il calcio dalla cellula al reticolo endoplasmatico liscio (o nello spazio extra-cellulare), dove si accumula (avviene soprattutto nelle cellule muscolari dove serve per la contrazione del muscolo). CAPITOLO 1.2.1.4: TRASPORTO ATTIVO SECONDARIO Questo tipo di trasporto attivo, utilizza energia indirettamente. Le sue proteine infatti non sono ATPasiche (non idrolizzano ATP). E’ un trasporto che muove sempre le sostanze contro gradiente. Prende il nome di perché, come detto, non usa direttamente ATP/energia. Questo meccanismo infatti, trae energia sfruttando il passaggio all’interno della cellula del sodio che entra secondo gradiente (quindi senza usare energia). In pratica, questo tipo di trasporto fa entrare le sostanze nella cellula sfruttando il passaggio del sodio, cioè il sodio entra secondo gradiente, quindi senza usare energia, al sodio si lega la sostanza che deve entrare che quindi entra insieme al sodio (detto in parole poverissime, la sostanza si prende il passaggio dal sodio). Nella figura a lato, si vede chiaramente come il glucosio (esagono verde), sfrutta il passaggio che si apre per accogliere il sodio e passa insieme a lui. E’ un processo utile quindi perché, grazie all’ingresso del sodio, possono entrare nella cellula anche altre sostanze senza usare energia (ricordiamo che questo ingresso del sodio viene bilanciato dall’uscita di quest’ultimo grazie alla pompa sodio-potassio). Questo tipo di trasporto viene usato anche dagli amminoacidi eccitatori. CAPITOLO 1.2.1.4.1: TRASPORTO ATTIVO SECONDARIO – ANTIPORTO VESCICOLARE DELLE VESCICOLE SINAPTICHE Questo tipo di trasporto secondario utilizza delle vescicole già cariche di neurotrasmettitori. Questi neurotrasmettitori, quando devono inviare il segnale, si fondono con la membrana della vescicola ed escono fuori in modo rapido. Un neurotrasmettitore è una sostanza rilasciata da un neurone e che viene captata da un altro neurone o da una fibra muscolare. La vita di un neurotrasmettitore è brevissima perché vengono 6 intercettati dal loro destinatario in modo praticamente istantaneo. Quando in questo processo agiscono degli inibitori (come la cocaina), questi neurotrasmettitori non vengono più recepiti e restano attivi per più tempo, provocando degli squilibri nel corpo (sempre nel caso della cocaina, il neurotrasmettitore che non viene recepito è la dopamina che quindi resta attiva e ci “sballa”). CAPITOLO 1.3: PROPRIETA’ BIOELETTRICHE DELLE MEMBRANE Quasi sempre, i soluti hanno una carica netta (positiva o negativa), quindi bisogna anche considerare il gradiente di potenziale elettrico generato dal fatto che, i soluti, sono disposti ai due lati della membrana in modo asimmetrico e questo genera quindi un gradiente di concentrazione (chimico) e un gradiente elettrico. Questi due gradienti sono spesso opposti e quindi, ad un certo punto, si arriverà in una condizione di equilibrio detta equilibrio elettrochimico (cioè nel passaggio dei soluti dall’altra parte, prima o poi si arriverà a punto che i due gradienti avranno pari valore ma segno opposto e quindi ci sarà equilibrio). Ogni membrana ha un suo potenziale elettrico ed è proprio un particolare valore di questo che rende particolarmente eccitabili le cellule nervose e quelle muscolari. Il potenziale elettrico di membrana di un neurone a riposo è di -65mV. Questo valore viene definito come potenziale di riposo ed è specifico delle cellule eccitabili (neuroni e muscoli), e ovviamente deriva dalla asimmetria degli ioni ai due lati della membrana. Nella zona adiacente alla membrana infatti, si accumulano, ai due lati, cariche di segno opposto (se le sommiamo tutte otteniamo un valore pari a 0 quindi, singolarmente, i due ambienti sono neutri). Precisiamo che a riposo, la membrana tiene aperti tanti canali per il potassio e pochi per il sodio. Si arriva a questo valore di -65mV con un semplice esperimento fatto prendendo due compartimenti che presentano al centro una membrana semipermeabile solo al potassio:  Nel primo compartimento (primo da sinistra) dove la concentrazione delle sostanze (potassio e cloro) è uguale ai due lati (1mM) della membrana, si avrà uno scambio di soluto uguale in entrambe le direzioni e quindi saremo in equilibrio con conseguente potenziale elettrico pari a 0  Nel secondo compartimento invece, a sinistra della membrana abbiamo una concentrazione di potassio 10 volte superiore rispetto a quella che c’è a destra della membrana e quindi questo si sposterà, secondo gradiente di concentrazione, verso destra. Siccome la membrana fa passare solo potassio, il 7  cloro presente nella soluzione resterà fermo, accumulandosi quindi da una sola parte. Questo accumulo porta a un accumulo di cariche elettriche opposte ai due lati della membrana con conseguente creazione di potenziale elettrico (questo perché il potassio [K+] ha carica positiva mentre il cloro [Cl-] ha carica negativa). Questo scambio arriverà ovviamente all’equilibrio quando il gradiente di concentrazione verrà bilanciato da quello elettrico che avrà un valore di -58mV Con questo esperimento quindi, abbiamo capito che -58mV dei -65mV del potenziale di riposo sono dati dallo spostamento del potassio ai due lati della membrana. La condizione di equilibrio elettrochimico per ciascuno ione, si calcola con la Legge di Nernst: 𝑹𝑻 [𝒊𝒐𝒏]𝒐 Eion = 2,303 𝒁𝑭 x log [𝒊𝒐𝒏]𝒊 Con:  Eion = valore del potenziale ionico dello ione all’equilibrio (tipo EK se parliamo del potassio come nella foto a destra)  R = costante del gas  T = temperatura assoluta  Z = carica dello ione  F = costante di Faraday  [ion]o = concentrazione dello ione fuori dalle cellule  [ion]i = concentrazione dello ione dentro le cellule La prima parte dell’equazione (cioè tutto fino al logaritmo), è una costante è viene 61,54. I valori della concentrazione dello ione sono valori certi e che si possono ricavare anche secondo i parametri espressi nel capitolo 1.1. 8 Per arrivare però a questo famoso valore di -65mV, dobbiamo considerare un Sistema di Donnan che prevede un compartimento, uguale a quello visto sopra, ma con una membrana semi- permeabile al potassio (K+) e al cloro (Cl-). Con una membrana di questo tipo, ci sarà uno spostamento in entrambe le direzioni sia di potassio che di cloro, mentre le uniche sostanze che si accumuleranno ai due lati saranno i proteinati (indicati con una A nel lato sinistro) e il sodio (Na-, anche se per la precisione, una piccolissima parte si sposta comunque verso destra). Si va quindi a considerare nella legge di Nernst anche lo spostamento del sodio, generando cosi l’equazione di Goldman: 𝑷𝑲 [𝑲]𝒐 + 𝑷𝑵𝒂 [𝑵𝒂]𝒐 Vm = 61,54 mV x log 𝑷𝑲 [𝑲]𝒊 + 𝑷𝑵𝒂 [𝑵𝒂]𝒊 Con:  61.54mV = valore ricavato dalle costanti dell’equazione di Nernst  [K+]o e [Na-]o = concentrazione di potassio e sodio all’esterno della cellula  [K+]i e [Na-]i = concentrazione di potassio e sodio all’interno della cellula  P = permeabilità della membrana in quel momento (sarà alta se ci saranno tanti canali aperti e viceversa; a riposo è alta per il K e bassa per il Na perché ci saranno canali di K aperti mentre i canali di Na saranno chiusi). A differenza dell’equazione di Nernst quindi, entra in gioco anche la permeabilità della membrana in quel momento che si moltiplica per le concentrazioni di ioni in quel momento. Sostituendo tutti i valori, si arriverà finalmente al valore di -65Mv. Quindi si può affermare che il potenziale a riposo tiene conto dello ione potassio e dello ione sodio e si ricava con l’equazione di Goldman con i valori di questi due 9 ioni che, con il loro passaggio attraverso la membrana, generano il potenziale a causa di accumulo di cariche opposte ai due lati della membrana. Nella determinazione di questo potenziale a riposo, entra in gioco anche la pompa sodio-potassio. Tutti i tipi di cellule hanno un potenziale di membrana diverso dal potenziale extracellulare. Il potenziale all’esterno delle cellule è, per convenzione, pari a 0. CAPITOLO 2: SISTEMA NERVOSO E LE SUE CELLULE Il sistema nervoso è formato da neuroni e da cellule gliali. E’ stato possibile osservare e studiare la forma dei neuroni e dei loro prolungamenti grazie alla colorazione di Golgi (una soluzione che contiene dei sali) che colora solo alcuni neuroni ma in modo perfetto (cioè colora sia il soma che le terminazioni del neurone). Un altro tipo di colorazione è stata quella di Nissi che colora tutti i neuroni ma senza prolungamenti, quindi questo sistema fu presto accantonato. Golgi, ha anche teorizzato la reticolarizzazione dei neuroni, affermando che tutti i neuroni sono connessi tra loro, formando una rete. Questa teoria di Golgi però, fu presto negata da Cajal che, con la sua teoria neuronale, afferma che i neuroni sono sì in contatto tra loro, ma solo in alcuni punti e che la comunicazione tra due neuroni fosse interrotta da due membrane dette sinapsi. Inoltre la comunicazione è esclusivamente unilaterale, cioè va solamente in un verso e non bidirezionale come affermato da Golgi. CAPITOLO 2.1: LE CELLULE NERVOSE – IL NEURONE Le cellule nervose hanno, come tutte le cellule, un nucleo, un citoplasma, degli organelli ecc. La particolarità però di questo tipo di cellula sono i dendriti, cioè dei rami che ricevono le informazioni dagli altri neuroni toccandoli in punti precisi dell’assone, l’informazione poi va nell’assone che può arrivare sia negli organi reagenti o toccare altri neuroni e far continuare la “corsa” dell’informazione. La zona che comprende dendriti e assone è detta zona ricevente e di integrazione perché è proprio in questa zona che l’informazione viene ricevuta (dai dendriti) ed elaborata sotto forma di risposta che viene trasmessa all’assone che la conduce poi ad altri neuroni o all’organo di destinazione. L’assone di un neurone, come detto, tocca le spine dendritiche di un altro neurone ed è proprio in questo punto che avviene il passaggio dell’informazione (quindi queste spine sono la zona di ricezione dell’impulso nervoso) e sono presenti le sinapsi1. Una sinapsi è composta da:  Una spina dendritica (post-sinpatica) 10 1 Se una delle due cellule a contatto non è un neurone, non si parla di sinapsi ma di giunzione   La parte finale dell’assone (solo nella terminazione assonica infatti, sono presenti le vescicole con i neurotrasmettitori)  Uno spazio sinaptico tra le due componenti sopracitate Ci sono due tipi di sinapsi:  Sinapsi eccitatorie, queste hanno le vescicole con i neurotrasmettitori di forma tonda (palline rosse in figura) che si accumulano in modo denso e copioso nella zona attiva (ricca di proteine, triangoli gialli tra le sfere), lo spazio sinaptico è molto ampio, lo spazio post- sinaptico è ricco di proteine (parte gialla in basso)  Sinapsi inibitorie, hanno vescicole di forma ovoidale, una zona attiva poco densa di proteine e spazio sinaptico più stretto Esistono neuroni:  Unipolari  Multipolari, hanno una multipla ed estesa arborizzazione, si trovano nell’ sistema nervoso centrale (SNC)  Bipolari  Pseudounipolari, hanno una sola arborizzazione e poco estesa, sono principalmente neuroni sensoriali che si trovano nei gangli della colonna vertebrale, possono anche presentare una sorta di “doppio assone” 11  CAPITOLO 2.2: LE CELLULE GLIALI L’altro costituente del sistema nervoso, è l’insieme delle cellule gliali. Queste cellule variano in base alla loro posizione, cioè saranno di tre tipi se si trovano nel SNC, mentre di un solo tipo se si trovano nel sistema nervoso periferico (SNP). Le tre tipologie di cellule gliali dell’SNC sono: 1. Monociti, distruggono corpi esterni, praticamente sono i macrofagi del cervello 2. Astrociti, creano la barriera ematoencefalica, cioè filtrano il sangue che deve arrivare al cervello (praticamente ne fanno arrivare solo una quantità ben precisa e solo con alcune sostanze) 3. Oligodendrociti, sono delle cellule che avvolgono più assoni, creano la guaina mielinica che è unica per tutto l’assone La cellula gliale dell’SNP invece è la cellula di Schwann: questo tipo di cellula è praticamente simile agli oligodendrociti, avvolge infatti anch’essa l’assone, con l’unica differenza che la guaina mielinica creata da questa cellula è divisa in più pezzi e tra questi pezzi ci sono i nodi di Ranvier che influenzano l’impulso (vedi dopo per dettagli). CAPITOLO 2.3: TIPI DI SEGNALE ELETTRICO Esistono due tipi di segnali/impulsi elettrici (diventano elettrochimici presso le sinapsi) dei neuroni:  Impulsi graduati, si possono anche sommare tra loro al fine di raggiungere il valore per attivare il potenziale d’azione (trasformazione in impulso tutto niente), durante il loro percorso un po' della loro intensità va dispersa  Impulsi tutto-nulla, si trovano solamente sugli assoni, non si possono sommare (cioè non sono rimodulabili in ampiezza), hanno tutti un valore uguale e un limite soglia, o avvengono o non avvengono; si generano nel colletto assonico e arrivano fino alla terminazione sinaptica Gli impulsi tutto-nulla sono delle variazioni del potenziale di membrana. Le variazioni di questo potenziale possono essere depolarizzazioni (se il valore diventa positivo, si parte sempre da -65mV), o iperpolarizzazioni se il valore diventa ancora più negativo. Questa modifica di potenziale avviene in seguito a uno stimolo esterno captato dalle terminazioni sensoriali dei neuroni sensoriali (detti anche di 1° livello), cioè quando viene captato lo stimolo, questo neurone cambia il suo potenziale di membrana e crea un impulso graduato. L’impulso poi passa all’assone mediante la zona d’insorgenza dell’impulso/colletto assonico che lo converte in un impulso tutto-nulla e lo “spara” verso il neurone successivo. E’ bene precisare però, come vedremo meglio dopo, che questa “trasformazione” da graduato a tutto-niente avviene solamente se l’impulso graduato ha un valore ben preciso (il potenziale di membrana infatti deve scendere a -40mV). 12  CAPITOLO 2.3.1: POTENZIALE D’AZIONE - IMPULSO TUTTO-NULLA E’ il tipo di impulso più diffuso nel corpo, è tipico delle cellule eccitabili che si definiscono tali proprio perché sono in grado di cambiare il loro potenziale di membrana. E’ un tipo di impulso più rapido rispetto a quello graduato dal quale deriva e, come detto prima, non è modulabile in ampiezza quindi ha dei valori ben precisi. Il requisito fondamentale per la sua creazione è che l’impulso graduato faccia variare il potenziale di membrana al valore soglia di -40mV, se ciò non avviene l’impulso resta graduato e sfuma. Se l’impulso graduato è debole, può sommarsi ad altri graduati al fine di raggiungere questo valore soglia. Deve quindi avvenire una depolarizzazione soglia generata da uno stimolo eccitatorio che apre i canali di sodio, normalmente chiusi a riposo, e che quindi fanno entrare il sodio nella cellula, provocando una modifica del potenziale di membrana. Arrivati al valore di -40mV, si apre una grande quantità di canali (che fa variare ovviamente la permeabilità della membrana al sodio) di sodio voltaggio dipendenti e quindi il potenziale continua a salire come valore (diventa sempre più positivo) fino a un massimo di +30/40mV. Questa depolarizzazione è spiegata con il ciclo di Hodgkin (figura a lato), ciclo che si ripete a ogni stimolo (si passa dalla fase 1 alla 2 solamente se si raggiunge il valore di -40mV). Questo ciclo si chiude al valore soglia, cioè quando si chiudono i canali di sodio. Arrivati a questo picco di +30/40mV, i canali aperti tornano chiusi, il sodio non passa più e il potassio inizia a uscire dalla cellula, grazie all’apertura dei suoi canali voltaggio dipendenti. Questa uscita di 13 potassio fa tornare al valore di riposo il potenziale di membrana, avviene cioè una ripolarizzazione che ferma lo stimolo. Se il potenziale di membrana non scende a -40mV i canali restano chiusi e quindi lo stimolo resta graduato (resta sotto soglia come si suol dire) e non si trasmette ad altri neuroni (come detto però, può passare se si somma ad altri stimoli graduati e quindi fa scendere il potenziale a -40mV). Esistono anche impulsi/stimoli inibitori che fanno esattamente l’azione opposta, cioè abbassano ancora di più il potenziale di membrana, facendo scendere il valore molto più in basso di -65mV. E’ chiaro che, in questo caso, lo stimolo resta graduato e non passa agli assoni sotto forma di impulso tutto-nulla visto che non si raggiunge il valore minimo di -40mV che attiva il potenziale d’azione. CAPITOLO 2.3.2: FASI DEL POTENZIALE D’AZIONE 1. Nella prima fase (a riposo), i canali del sodio e quelli del potassio (ovviamente parliamo di canali voltaggio dipendenti) sono entrambi chiusi (i canali del potassio aperti invece sono altri che non entrano in questo processo) 2. Si aprono i canali del sodio mentre quelli del potassio restano chiusi, il sodio entra finchè non si raggiunge il valore soglia del potenziale 3. Si aprono i canali di potassio in prossimità della soglia di +30/40Mv e il potassio inizia ad uscire, mentre i canali del sodio si “tappano” naturalmente diventando inattivi/inibiti 4. I canali del sodio tornano come nella fase 1, mentre restano aperti quelli del potassio finchè non si ristabilisce il potenziale di riposo Per ricapitolare: entrambi i canali si aprono nella depolarizzazione solo che quello del sodio si inibiscono naturalmente nonostante l’impulso, quelli del potassio invece si chiudono solamente quando si torna al potenziale di riposo e non si inibiscono mai. 14 Un neurone non può generare due potenziali d’azione in modo consecutivo, cioè una volta generato un primo potenziale d’azione, deve passare del tempo affinchè questo possa generarne un altro. Questo succede perché il potenziale deve ritornare al valore di riposo e lo fa grazie al lavoro della pompa sodio-potassio, inoltre durante questo tempo i canali di sodio sono inibiti. Questo periodo durante il quale un neurone non può generare un nuovo potenziale d’azione ma solo impulsi graduati è detto periodo refrattario. CAPITOLO 2.4: PROPAGAZIONE DELL’IMPULSO NERVOSO Gli unici impulsi che si propagano da neurone a neurone sono quelli tutto-nulla, cioè i potenziali d’azione. Questo succede anche perché gli impulsi graduati, diminuiscono la loro ampiezza/intensità, man mano che si allontanano da loro punto di insorgenza (punto di origine), cosa che invece non succede con i potenziali d’azione. I potenziali d’azione infatti, non vedono variare minimamente la loro intensità, anche quando si allontanano di molto dal punto d’origine. L’unica cosa che si verifica è un leggero ritardo nell’insorgenza man mano che ci si allontana (cioè il potenziale si genera qualche millisecondo più tardi man mano che ci si allontana, l’intensità invece è sempre quella come si vede anche nella figura accanto). Nei capitoli precedenti abbiamo detto che Cajal ha affermato che il segnale nervoso è esclusivamente unidirezionale. Questo è confermato dal fatto che, una volta che il potenziale d’azione passa, i canali di sodio voltaggio dipendenti che si sono aperti sono inibiti e quindi il segnale può solamente avanzare in quanto solo in avanti troverà canali di sodio attivi (quelli pre-segnale cioè saranno nel periodo refrattario). 15 La propagazione del segnale in un assone con guaina mielinica (parte marrone attorno all’assone in figura) avviene in modo leggermente diverso. Questa guaina mielinica infatti, nei neuroni dell’SNP, avvolge a pezzi l’assone, coprendo anche i canali del sodio. Il segnale quindi, può solamente saltare da un nodo di Ranvier (spazi vuoti con canali in figura) all’altro in quanto, solo in questi spazi tra i vari pezzi di guaina, sono liberi i canali di sodio. Questo fenomeno si chiama conduzione saltatoria (letteralmente “potenziale che salta”) ed è un processo che velocizza notevolmente la propagazione del segnale in quanto quest’ultimo salta letteralmente dei pezzi, anche lunghi, di assone. Questa guaina mielinica è prodotta dalle cellule di Schwann e avvolge principalmente gli assoni molto lunghi (che si definiscono quindi “assoni mileinati”). Le fibre nervose non sono tutte mielinate in quanto nel SNC, le fibre sono corte e, anche se la guaina le avvolgesse, non ci sarebbe un sostanziale aumento di velocità della trasmissione delle informazioni, anzi ci sarebbe uno spreco di energia nel produrre la guaina. Gli assoni mielinati quindi, sono principalmente quelli molto lunghi. 16  CAPITOLO 3: CARATTERISTICHE DEI CANALI IONICI I canali ionici si diversificano per due caratteristiche:  Apertura, voltaggio-dipendenti o ligando-dipendenti; variano quindi in base al meccanismo che li fa aprire  Selettività, cioè si differenziano in base a cosa può passare attraverso il canale; può passare: calcio, potassio o sodio CAPITOLO 3.1: I PRINCIPALI CANALI IONICI 1. Canali di Na+ voltaggio-dipendenti 2. Canali di Na+ voltaggio-indipendenti, sempre aperti si trovano in cellule altamente specializzate (tipo le cellule del nefrone distale, polmone o tubo digerente), sono canali molto importanti per l’assorbimento del Na+ 3. Canali di Ca2+ voltaggio-dipendenti, si attivano durante la fase di depolarizzazione del potenziale di membrana; la loro apertura causa un aumento della concentrazione citosolica di Ca2+; indispensabili per la contrazione muscolare, il rilascio sinaptico e l’espressione genica 4. Canali di Ca2+, voltaggio-indipendenti, localizzati sulle membrane del reticolo endoplasmatico liscio, attivati dall’ IP3 e dalla Ryanodina. Sono attivati da vie di trasduzione del segnale di molti recettori di membrana 5. Canali di K+ voltaggio-dipendenti 6. Canali di K+ regolati dallo ione Ca2+, cioè canali che si aprono solo quando si legano con il calcio 7. Canali di K+ di background, cioè canali sempre aperti, non regolati e che contribuiscono al mantenimento del potenziale di riposo (-65mV) CAPITOLO 3.2: CANALI VOLTAGGIO-DIPENDENTI – STRUTTURA DI QUELLI DEL SODIO (Na+) I canali voltaggio-dipendenti si aprono/chiudono in base alla variazione del potenziale di membrana (depolarizzazione, quindi -65mV che diventa sempre più positivo, o iperpolarizzazione, -65mV che diventa sempre più negativo). Questa variazione del potenziale è rilevata dal sensore del voltaggio. Il sensore del voltaggio non è altro che una sequenza amminoacidica, carica positivamente, che si sposta nella membrana. Questo spostamento causa una modifica conformazionale del canale stesso che quindi si apre. I canali voltaggio-dipendenti hanno una struttura composta da:  4 sub-unità 17   Ogni sub-unità ha 6 domini transmembrana  Strutture che inibiscono questo tipo di canale Uno dei 6 domini, è costituito proprio dal sensore del voltaggio sopracitato, quindi in totale ci sono 4 sensori del voltaggio (uno per ogni sub-unità). CAPITOLO 3.3: CANALI LIGANDO-DIPENDENTI Questi canali ligando-dipendenti, sono dei canali che si aprono solamente quando ad essi si lega un ligando (per ligando si intende una sostanza ben precisa che varia in base al tipo di canale). Il legame tra ligando e canale infatti, modifica la forma di quest’ultimo che quindi si apre. Il ligando si comporta come una sorta di enzima in quanto si va a legare nel sito attivo del canale. Maggiore è la concentrazione del ligando/agonista più è alta la probabilità di apertura del canale, di conseguenza, si capisce chiaramente che se non c’è il ligando, il canale non si può aprire. Molto spesso, il ligando in questione è lo ione calcio quindi si può anche parlare di canali calcio- dipendenti. Esistono tipologie di canali con un solo sito di legame e canali con due siti di legame e che quindi possono accogliere due ligando. I canali con due siti di legame, si aprono solamente quando entrambi i ligando sono legati (con uno solo infatti non si aprono). I due ligando possono entrare nei siti anche in un intervallo di tempo ampio (cioè ne entra prima uno e poi dopo un po di tempo entra l’altro e il canale si apre). Quando sono presenti due siti di legame, questi possono comportarsi in due modi:  Essere indipendenti l’uno dall’altro, in questo caso la probabilità di apertura del canale è molto più bassa rispetto a quelli con il singolo sito  Essere siti di legami cooperativi, cioè l’ingresso del ligando nel primo sito, aumenta la velocità di legame nel secondo sito (un po' come avviene nel caso dell’emoglobina). In questo caso, la probabilità di apertura del canale è molto simile a quella dei canali con un solo sito di legame Ricorda: la cooperatività è tra i siti di legame e non tra i ligando! 18  CAPITOLO 4: COMUNICAZIONE TRA CELLULE NERVOSE La comunicazione tra cellule nervose può avvenire in due modi:  Tra cellule molto vicine si parla di trasmissione sinaptica  Tra cellule lontane si parla di comunicazione ormonale o endocrina che avviene attraverso il torrente circolatorio (la circolazione sanguigna) CAPITOLO 4.1: TRASMISSIONE SINAPTICA – SINAPSI ELETTRICHE In questo tipo di comunicazione, le due cellule (pre e post sinaptica), sono attaccate. Tra di loro infatti, NON c’è nessuno spazio sinaptico. Le due membrane delle cellule sono tenute insieme da proteine provenienti per il 50% da una cellula e per un 50% dall’altra (se non c’è unione queste proteine non hanno funzione in quanto sono incomplete). L’unione di queste proteine forma le gap junctions, cioè dei canali ionici che permettono il passaggio di ioni e piccole molecole (ATP, sostanze ioniche come il calcio e messaggeri chimici) tra le due cellule contigue. Questo tipo di collegamento e comunicazione tra cellule prende il nome di sinapsi elettrica. Le cellule collegate con questo sistema hanno tutte lo stesso PA. Tante cellule collegate in questo modo formano i sincizi, cioè un insieme di cellule che lavorano in sinergia e fanno tutte la stessa cosa allo stesso momento, diventando quindi come una “grande cellula unica”. In questo tipo di comunicazione, l’informazione è bi-direzionale perché le gap junctions non sono polarizzate. Queste sinapsi elettriche sono presenti tra le cellule muscolari lisce e quelle striate cardiache. 19  CAPITOLO 4.2: SINAPSI CHIMICHE Le sinapsi chimiche sono la tipologia di sinapsi più diffusa nel corso e si trovano sia nel SNC sia nel SNP. L’esistenza di questo tipo di sinapsi è stata scoperta da Otto Loewi nel 1926 con un esperimento che ha confermato il fatto che un mediatore deve essere per forza prodotto da una cellula, uscire da essa e poi andare su una cellula bersaglio passando per uno spazio extra- cellulare. L’esperimento di Loewi prevedeva due cuori, uno con il nervo vago e uno senza: quello senza nervo vago e stato bagnato con il liquido nel quale era immerso quello con il nervo vago e contenente il mediatore da esso prodotto: Ebbene, il cuore senza nervo vago ha avuto la stessa reazione di quello con il nervo vago, a conferma che quindi il mediatore era effettivamente presente nel liquido. Questo quindi renda vera l’ipotesi che il mediatore parte dalla cellula pre-sinaptica, passa nello spazio intersinaptico e arriva in quella post-sinaptica. In questo tipo di sinapsi, la terminazione assonica (che ovviamente nella sua parte finale non ha guaina mielinica) si ramifica e crea più punti di contatto con la fibra muscolare (la figura qui sopra rappresenta proprio uno dei punti di contatto). Le due cellule (pre-sinaptica e post-sinaptica) NON c’è contatto, tra le due infatti c’è lo spazio intersinaptico. Le sinapsi chimiche possono rilasciare (una o entrambe contemporaneamente):  Neurotrasmettitori, le vescicole contenenti questi vengono rilasciate in prossimità del punto di contatto  Neuropeptidi, le vescicole contenenti questi vengono rilasciate più lontane dal punto di contatto (si accumulano nello spazio detto peri-sinaptico) La differenza tra queste due vescicole rilasciate è il contenuto, rappresentato dai neuromodulatori. Le vescicole contenenti neurotrasmettitori infatti contengono: 20   Amminoacidi (quindi molecole molto piccole; gli amminoacidi contenuti sono Glicina, GABA [entrambi sono degli inibitori che quindi iperpolarizzano la membrana post-sinaptica] e glutammato [eccitatorio, quindi depolarizza]; sono vescicole trasparenti)  Ammine (molecole un po' più grandi; dopamina, adrenalina, istamina, serotonina); q Quelle contenenti neuropepitidi invece contengono peptidi (encefaline, neuropetide Y, dinorfina ecc.), molecole quindi molto più grandi; sono di colore opaco-denso. La “scelta” di rilasciare un tipo di vescicola piuttosto che l’altra, è determinata dalla frequenza dei potenziali d’azione che arrivano nella sinapsi. Se la frequenza è bassa infatti (cioè passa tanto tempo tra l’arrivo di un PA e l’altro), verranno rilasciate solamente vescicole con neurotrasmettitori, in quanto si accumulerà calcio solamente presso il punto di contatto. Se invece la frequenza è alta (cioè arrivano molti PA in un intervallo di tempo), si accumulerà calcio in tutta la terminazione sinaptica e quindi verranno secretate entrambe. Questo tipo di sinapsi può essere (in base al tipo di contatto):  Asso-somatica, cioè contatto tra assone e soma dell’altra cellula nervosa  Asso-assonica, cioè contatto tra due assoni  Asso-dendritica, cioè contatto tra assone e dendrite dell’altra cellula nervosa Questo tipo di sinapsi può essere:  Eccitatoria  Inibitoria Il fatto che una sinapsi è eccitatoria o inibitoria è dettato principalmente dal tipo di recettore presente sulla cellula post-sinaptica (anche il tipo di neurotrasmettitore rilasciato è importante in questa determinazione ma in maniera nettamente minore e quindi “trascurabile”). CAPITOLO 4.2.1: SEQUENZA DI EVENTI CHE PORTANO AL RILASCIO DI UN NEUROTRASMETTITORE I passaggi che portano al rilascio di un neurotrasmettitore e quindi al funzionamento della sinapsi (cioè come funziona questa sinapsi chimica e come trasmette il segnale) sono: 1. La membrana pre-sinaptica viene depolarizzata dal PA che arriva dall’assone (quindi se non arriva un PA tutto il resto non può succedere) 2. La depolarizzazione attiva i canali di calcio voltaggio-dipendenti che si trovano nella zona attiva della sinapsi (la zona attiva è la parte immediatamente precedente allo spazio inter- sinaptico). Questi canali fanno entrare quindi del calcio nella parte pre-sinaptica 3. Il calcio interagisce con delle proteine che fanno fondere le vescicole contenenti neurotrasmettitori con la membrana pre-sinaptica. Questa fusione, avvenuta in modo spontaneo in quanto la membrana delle vescicole è del tutto simile a quella della cellula, svuota le vescicole che rilasciano il loro contenuto dall’altra parte della membrana (cioè nello spazio intersinaptico) 21  4. I neurotrasmettitori si legano ai recettori contenuti sulla membrana della cellula post- sinaptica. Dopo questo, i neurotrasmettitori hanno un triplice destino (tutti e tre comunque chiudono il segnale): a. Vengono degradati da cellule escretori specifiche b. Trasmettono l’informazione e se ne vanno in altre zone dove verranno poi degradati c. Vengono ripresi dalla membrana pre-sinaptica grazie a dei trasportatori che li riporteranno dentro la membrana e li riutilizzeranno in altre vescicole Una volta che il neurotrasmettitore si lega al recettore (che è quasi sempre un canale ionico ligando- attivato), quest’ultimo si apre e quindi fa variare il potenziale di membrana della cellula post- sinaptica sulla quale è attaccato (questo farà ripartire il processo in quanto, se il potenziale diventa minimo -40mV grazie a una depolarizzazione, si genererà un altro PA nella cellula post-sinaptica, PA che correrà sull’assone e arriverà alla sinapsi successiva e così via, se invece non si raggiunge il valore di -40mV non si genera PA e quindi l’informazione si ferma) [in pratica quest’ultimo passaggio è il vero passaggio del segnale dalla cellula pre-sinaptica a quella post-sinaptica ed avviene in modo chimico]. Quindi per ricapitolare: 1. Il segnale che si genera grazie alla variazione del potenziale di membrana è di tipo elettrico 2. Questo segnale corre poi sull’assone e arriva alla terminazione sinaptica dove, tramite i passaggi spiegati nella pagina precedente, diventa di tipo chimico 3. Il segnale viene quindi trasmesso alla cellula post-sinaptica come descritto qui sopra e torna ad essere di tipo elettrico sotto forma di nuovo PA che si genera (solo in caso di sinapsi eccitatoria) Se la sinapsi è invece inibitoria, una volta che il segnale arriva dall’altra parte, si avrà una iperpolarizzazione che farà diventare ancora più negativo il valore del potenziale di membrana (diventa tipo -80/90mV), non si avrà quindi la generazione di un nuovo PA con conseguente stop dell’informazione (in questo caso si parla di risposta locale). CAPITOLO 4.3: GIUNZIONE NEURO-MUSCOLARE – ESEMPIO DI SINAPSI MOLTO EFFICACE In questo tipo di sinapsi, ogni PA che arriva dall’assone, genera un PA nella cellula muscolare. Non si avranno mai infatti, delle risposte sotto soglia (quindi non ci saranno mai risposte locali e il segnale non si ferma). Questo tipo di sinapsi garantisce la contrazione muscolare a ogni impulso ricevuto proprio a causa di questa singolare caratteristica. E’ una sinapsi di tipo chimico, eccitatoria e che rilascia acetilcolina come neurotrasmettitore. L’acetilcolina, a livello cardiaco è un inibitore, mentre a livello muscolare è un eccitatore perché si lega a recettori diversi. L’acetilcolina, oltre che legarsi a recettori nicotici dell’acetilcolina, si può anche legare a recettori moscarinici. 22  CAPITOLO 5: RECETTORI POST-SINAPTICI IONOTROPICI I recettori di seguito indicati, si trovano tutti sulle membrane post-sinaptiche. Prendono il nome di ionotropici in quanto sono tutti dei canali ionici ligando-attivati. 1. Recettore nicotinico dell’Acetil-colina a. Se ha un potenziale di -100mV fa entrare esclusivamente sodio mentre il potassio resta fermo, l’effetto quindi è eccitatorio b. Nella condizione di riposo delle fibre muscolari, quindi con potenziale di membrana pari a -70/75/80 mV, fa entrare tanto sodio e fa uscire poco potassio, l’effetto quindi è ancora una eccitazione c. Se ha PA = 0mV entra sodio ed esce potassio in quantità uguale e quindi l’effetto è nullo d. Se ha potenziale pari a +70mV esce solamente potassio mentre il sodio resta fermo e. E’ un recettore canale che si attiva solo quando si lega con l’acetilcolina 2. Recettore ionotropico del glutammato; a. E’ un tipo di recettore che funziona in modo analogo a quello dell’acetilcolina, quindi è anch’esso un ligando-attivato, ligando che in questo caso è il glutammato. b. E’ un recettore che fa entrare sodio e calcio c. Genera risposte eccitatorie perché entrambe le sostanze che entrano portano a una depolarizzazione 3. Recettori del GABA (GABA-ergici) (GABA = acido gamma-aminobutirrico) a. GABAA (ionotropico), GABAB (in questo caso è metabotropico) o GABAC (si esprimono solo nelle cellule bipolari della retina [non importanti]) b. Entrambe le versioni sono degli inibitori CAPITOLO 5.1: RECETTORI POST-SINAPTICI METABOTROPICI Questo tipo di recettori, sono delle molecole transmembrana che legano il neurotrasmettitore. La grande differenza con quelli ionotropici quindi è che questi metabotropici NON dei canali. Inoltre, questi recettori metabotropici attivano delle vie metaboliche cellulari in quanto interagiscono con le proteine G che le regolano (queste proteine infatti legano GTP e sono legate alla membrana). Il funzionamento di questi recettori metabotropici è il seguente: 1. Quando a questo tipo di recettore si lega il neurotrasmettitore, la proteina G separa le sue sub-unita alfa e beta-gamma 2. Queste sub-unità si spostano verso una molecola effettore che, quasi sempre, è un canale ionico che quindi viene attivato Come si può dedurre da questi due passaggi, anche in questo caso entrano in gioco i canali ionici (cosi come succede nel caso dei recettori ionotropici), solo che in questo caso, l’attivazione di questi non avviene in modo diretto ma indiretto, tramite l’uso delle sub-unità delle proteine G. I canali ionici sono fondamentali in quanto qualcosa deve entrare/uscire per generare il PA. 23  CAPITOLO 5.2: RECETTORI METABOTROPICI CHE UTILIZZANO LA VIA DELL’cAMP Sono dei recettori:  Eccitatori se stimolano il cAMP (che è un enzima). Questa stimolazione porta a una produzione di AMPc che è una sostanza che regola tante reazioni insieme al PKA  Inibitori se inibiscono il cAMP. Questa inibizione non fa produrre AMPc e quindi tutte le reazioni regolate da questa sostanza non avvengono In pratica, questi recettori intervengono nella regolazione di molte reazioni regolando la produzione del AMPc attraverso l’attivazione/inibizione dell’enzima cAMP. CAPITOLO 5.3: RECETTORI METABOTROPICI CHE UTILIZZANO LA VIA DELLA FOSFOLIPASI C (PLC) In questo caso, l’enzima che viene coinvolto è la fosfolipasi C. Questa fosfolipasi viene stimolata dal recettore e questo porta alla formazione di IP3 (ionositolo trifosfato) e DAG (dianisiglicerolo, resta sulla membrana e fosforila) [in realtà si genera prima PIP che poi si scinde nelle due componenti]. L’IP3 a sua volta fa rilasciare calcio dal REL. Questo calcio, usando dei regolatori interni, regola numerosi processi tra cui la contrazione muscolare. 24  CAPITOLO 6: PROPRIETA’ GENERALI DEL SNC DELL’UOMO Il sistema nervoso centrale dell’uomo si divide in:  Diencefalo, che comprende talamo e ipotalamo  Telencefalo, che comprende la corteccia celebrale  Mesencefalo  Tronco encefalico, che comprende ponte, bulbo e midollo spinale CAPITOLO 6.1: SISTEMI PROIETTIVI AFFERENTI ED EFFERENTI Sistema afferente: segnale da periferia (SNP) a centro (SNC), è definito anche come sistema sensoriale (cioè parte che capta l’informazione dall’esterno e poi la fa arrivare al cervello; componente sensoriale) Sistema efferente: segnale da centro (SNC) a periferia (SNP) (cioè la parte finale del percorso dell’informazione che dopo essere arrivata al cervello, torna da dove era partita; componente motoria) Sostanza grigia: contiene i corpi cellulari dei neuroni Sostanza bianca: contiene i fasci di fibre nervose Il passaggio dell’informazione dal muscolo segue il seguente procedimento: 1. Segnale che parte dal muscolo 2. Arriva al midollo spinale tramite le sue corna dorsali/posteriori e le vie sensoriali afferenti 3. Da qui l’informazione risale fino al talamo grazie alle vie/fibre ascendenti (costituite da gruppi di fibre nervose) 4. Dal talamo l’informazione passa prima alla corteccia sensoriale e poi alla corteccia motoria (è qua che si genera la risposta motoria allo stimolo) 5. Dalla corteccia motoria l’informazione riscende fino al midollo spinale usando vie discendenti e arriva nelle corna ventrali/anteriori 6. L’informazione chiude il suo “giro” andando nella parte efferente del midollo spinale e da li torna al muscolo Dal talamo, l’informazione può anche diffondersi in tutta la corteccia, in questo caso si parla si sistema scendente diffuso. Esistono anche altri sistemi di diffusione dell’informazione: questi sistemi neuromodulatori, regolano funzioni globali dell’SNC come il sonno-veglia, l’ansia, l’attenzione, la memoria ecc. 25  CAPITOLO 6.2: PROPRIETA’ DEL SISTEMA NERVOSO CENTRALE Le principali proprietà del sistema nervoso centrale sono:  Ridondanza, cioè alcuni processi si possono fare anche con circuiti neuronali diversi (esempio: il processo della lettura, può essere fatto sia in modo classico con la vista, ma può essere anche fatto con il tatto come fanno i non vedenti; questo quindi dimostra che si può usare un senso diverso/circuitili neuronali diversi per fare una stessa azione)  Pleitropismo, un gruppo di neuroni regola una funzione ma anche altri processi ad essa legata (esempio: quando camminiamo, i neuroni che regolano l’azione del camminare, intervengono anche nella regolazione della memoria in quanto mentre cammino, io riesco a ricordare anche delle informazioni su dove sono ecc.)  Plasticità, cioè le terminazioni nervose dell’SNC si possono rigenerare in caso di danno, creando nuove sinapsi (ricorda: si rigenera solo la parte finale del neurone, cioè la sua ramificazione con le sinapsi e NON tutto il neurone)  Omeostasi, mantenimento dell’equilibrio delle funzioni per una buona salute ed efficacia del corpo CAPITOLO 6.3: ORGANIZZAZIONE E FUNZIONE DELLE RETI NEURONALI Un neurone, può trasmettere il segnale a più cellule nervose post-sinaptiche, questo grazie alla ramificazione dell’assone che genera più punti di contatto (sinapsi), in questo caso si parla di divergenza (cioè da una cellula nervosa a tante). Se invece, più neuroni trasmettono l’informazione a un singolo neurone si parla di convergenza (cioè da tanti a uno). La regolazione di queste vie è dettata da modulatori neuroni inibitori che possono dar vita ai seguenti tre tipi di inibizione:  Inibizione ricorrente, cioè l’informazione arriva a un secondo neurone che però la rimanda indietro e quindi la smorza (in pratica l’informazione parte da 1, arriva a 2 che la rimanda a 1 e finisce qui)  Inibizione a feed-forward, cioè viene eccitato sia un neurone inibitorio sia uno eccitatorio, entrambi questi neuroni convergono in un terzo neurone, a quest’ultimo arriva quindi un segnale eccitatorio smorzato in quanto viene abbassato di potenza dal neurone inibitorio  Inibizione laterale, un neurone centrale, inibisce i neuroni ad esso attigui/adiacenti 26  CAPITOLO 6.4: SISTEMA SOMATO-SENSORIALE DELL’SNC Senso somoestesica: è il senso che permette di “sentire” le sensazioni che provengono dall’esterno (parte esterocettiva che comprende sensibilità tattile, termina, dolorifica e prurito) o dall’interno del corpo (parte propriocettiva che capta sensazioni che provengono da muscoli, articolazioni, e tendini). Un altro senso che andremo ad analizzare in seguito è quello della vista che capta sensazioni di luminosità, colori, contrasto e movimento. In pratica, questo sistema comprende tutto ciò che viene percepito dall’SNC, cioè quello che viene portato alla corteccia celebrale (non ne fanno parte i dolori viscerali che usano un altro sistema). CAPITOLO 6.4.1: RECETTORI PERIFERICI DEL SISTEMA SOMATO-SENSORIALE (PARTE ESTEROCETTIVA) Gli stimoli sensoriali che vengono captati dalla parte esterocettiva, vengono captati grazie ai seguenti recettori (che sono degli organi altamente differenziati, diversi quindi dai recettori trattati nelle pagine precedenti che erano delle proteine di membrana; possono “sentire” questi stimoli in quanto sensibili; sono fatti da cellule di origine NON nervosa [quindi non sono neuroni] specializzate a sentire gli stimoli):  Cellule del gusto  Cellule uditive  Cellule della vista (fotorecettori)  Recettori dell’ossigeno (sono terminazioni nervose libere)  Cellule dell’olfatto  Nocicettori o recettori del dolore (sono terminazioni nervose libere) Queste cellule recepiscono lo stimolo e lo trasferiscono subito a un neurone sensoriale attraverso la componente afferente. Quasi tutti i tipi di recettori sopracitati sono altamente specializzati nella parte superiore (parte apicale), cioè è là che hanno la parte specializzata a recepire lo stimolo. I recettori che sono delle terminazioni nervose libere non hanno le cellule specializzate nella parte apicale. IN BREVE: 1. Il recettore di tipo NON nervoso capta lo stimolo periferico e genera un potenziale graduato (graduato perché solo il neurone può creare un potenziale d’azione) 2. Questo potenziale graduato va al neurone collegato al recettore tramite le vie afferenti di quest’ultimo (assone afferente primario); già sull’assone afferente che collega recettore e neurone il potenziale graduato diventa potenziale d’azione 27  3. Il potenziale d’azione generato arriva, come detto, tramite gli assoni afferenti, al midollo spinale che lo raccoglie tramite le corna dorsali e l’informazione fa tutto il “giro” descritto a pag.25, arrivando nell’SNC Stimoli molto forti generano potenziali graduati più grandi. Le principali stazioni sinaptiche delle vie sensoriali sono, nell’ordine (sarebbero le varie tappe fatte dall’informazione descritte in precedenza): 1. Recettori 2. Circuiti pre-talamici, cioè le vie afferenti del midollo spinale ecc. 3. Talamo 4. Corteccia CAPITOLO 6.5: STIMOLI DALL’ESTERNO – SENSIBILITA’ ESTEROCETTIVA TATTILE La cute ha tanti nervi che captano gli stimoli e li trasmettono al midollo spinale tramite le vie afferenti. Una singola porzione di cute, vede la sua sensibilità portata su tre vie, cioè arriva al midollo su tre segmenti distinti. Un dermatomero è la porzione di superficie cutanea innervata da una singola radice sensitiva di un nervo spinale. Il numero totale di dermatomeri è pari al numero totale dei nervi. CAPITOLO 6.6: CLASSIFICAZIONE DELLE FIBRE AFFERENTI PRIMARIE Tutti i nervi misti, sia spinali che cranici, hanno una componente sensoriale e una componente motoria. Le fibre afferenti primarie (si possono anche definire come assoni afferenti primari) si classificano in base al loro diametro e alla presenza della mielina. Queste fibre si dividono in quattro gruppi:  Gruppo 1 (o A-alfa), sono le fibre più grandi e più veloci, presentano la guaina mielinica, portano la sensibilità propriocettiva dai muscoli  Gruppo 2 (o A-beta), fibre intermedie, presentano la guaina mielinica, portano la sensibilità tattile  Gruppo 3 (o A-delta), fibre più piccole, presentano la guaina mielinica, portano il dolore  Gruppo 4 (o C), sono le fibre più piccole in assoluto e anche le più lente, non presentano la guaina mielinica, portano il dolore 28  CAPITOLO 6.7: RECETTORI DELLA SENSIBILITA’ TATTILE (DELLA CUTE) Esistono recettori di:  Tipo 1, sono più superficiali in quanto si trovano tra epidermide e derma (lo sono per esempio i dischi di Merkel), hanno una densità maggiore (cioè sono tanti e quindi danno una maggior sensibilità), hanno campi recettivi più piccoli proprio perché sono più densi  Tipo 2, sono più profondi, sono in quantità minore (quindi minor densità e minor sensibilità), proprio per questo hanno campi recettivi più grandi (addirittura qualcuno può avere come campo recettivo l’intera mano) Entrambi i tipi di recettore si dividono a loro volta in altre due tipologie:  Recettori fast-adapting (FA), sono recettori che si adattano e che scaricano i PA (derivanti da quelli graduati che si generano) sulle fibre assoniche solo all’inizio e alla fine dello stimolo (nel mezzo non viene scaricato nulla)  Recettori slow-adapting (SA), sono recettori che NON si adattano e che scaricano i PA sulle fibre assoniche dall’inizio alla fine dello stimolo Quindi per ricapitolare, esistono recettori:  Tipo 1 fast-adapting (FA1)  Tipo 1 slow-adapting (SA1)  Tipo 2 fast-adapting (FA2)  Tipo 2 slow-adapting (SA2) 29  CAPITOLO 6.8: SENSIBILITA’ PROPRIOCETTIVA – RECETTORI ARTICOLARI, FUSI NEUROMUSCOLARI E ORGANI MUSCOLO-TENDINEI DEL GOLGI Come detto, questo tipo di sensibilità NON comprende la sensibilità viscerale (che fa parte del SNP). I tipi di recettori della sensibilità propriocettiva sono:  Fusi neuromuscolari, si trovano nei muscoli  Organi muscolo-tendinei del Golgi, si trovano nei tendini (tendine che ricordiamo lega muscolo ad ossa)  Recettori articolari, si trovano nelle articolazioni Tutte e tre le tipologie sopraelencate, sono dei recettori che NON si adattano e che percepiscono la variazione dell’angolo dell’articolazione. CAPITOLO 6.8.1: SENSIBILITA’ PROPRIOCETTIVA – FUSI NEUROMUSCOLARI I fusi neuromuscolari sono organi sensoriali che si trovano nella massa muscolare (formata ovviamente da fibre muscolari) dei muscoli striati. Nel cuore di questa massa c’è una capsula fibrosa che delimita proprio questi fusi (o fibre intrafusali). I fusi hanno scarsa capacità contratile e quindi non danno forza al muscolo (si contraggono infatti solamente alle estremità tendinee e non al centro in quanto nella porzione centrale sono avvolti da fibre afferenti A- alfa). Questi fusi sono in grado di sentire il grado di allungamento del muscolo. Questi fusi sono anche chiamati pertanto recettori da stiramento in quanto permettono la contrazione del muscolo in risposta a un primo stiramento passivo. Quando un muscolo viene allungato passivamente infatti, il fuso capta l’allungamento e lo trasmette all’SNC tramite le fibre afferenti mielinate del gruppo 1 (A-alfa) di cui è innervato. Grazie a questi fusi che si oppongono alla forza di gravità che allunga passivamente i muscoli, riusciamo a tenere la postura. La frequenza di scarica dei PA sulle fibre afferenti dei fusi, varia in base all’intensità e alla velocità di allungamento del muscolo (cioè più velocemente si allunga il muscolo, più PA vengono sparati, quindi la frequenza in questo caso è alta). 30  CAPITOLO 6.8.2: ORGANI MUSCOLO-TENDINEI DEL GOLGI Come sappiamo, durante la contrazione muscolare, vengono sollecitati i tendini in quanto il muscolo si accorcia e il tendine viene stirato. Uno stiramento eccessivo può danneggiare il tendine. Ecco quindi che intervengono questi organi muscolo-tendinei del Goldi che regolano e mantengono il grado di contrazione volontaria e permettono al tendine di non strapparsi. Questi organi si trovano tra tendine e muscolo e sono ricchi di fibre collagene miste alle terminazioni assoniche di tipo A-beta. Durante la contrazione, le fibre collagene si comprimono e toccano le terminazioni assoniche che quindi sparano i PA. In breve quindi, questi organi sentono la contrazione muscolare e adattano il tendine per non farlo rompere. CAPITOLO 6.9: VIE ASCENDENTI CHE COLLEGANO MIDOLLO SPINALE E TALAMO DELLA SENSIBILITA’ PROPRIOCETTIVA TATTILE Come detto nelle pagine precedenti, il segnale viene captato dalle vie afferenti, arriva al midollo e sale al talamo mediante le vie ascendenti. Queste vie ascendenti sono di due tipi:  Via spino-talamica, che parte dal midollo spinale e arriva al talamo, l’informazione viaggia attraverso le fibre dorsali del midollo spinale (colonne dorsali) e decussa (cioè cambia lato, passa da sinistra a destra o viceversa) a livello del bulbo  Via antero-laterale, l’informazione risale nella sezione antero-laterale del midollo, decussa a livello del midollo spinale (quindi subito) Entrambe le vie hanno come punto d’arrivo il talamo dove poi l’informazione passa alla corteccia sensoriale primaria. La sensibilità raggiunge varie zone della corteccia a seconda della provenienza della sensazione (homunculus sensitivus, cioè nella corteccia ogni zona è addetta a una determinata sensazione, ogni zona ha grandezza differente [la più estesa è quella addetta alle sensazioni della faccia]). 31  CAPITOLO 7: STIMOLAZIONE NOCICETTIVA E LE DUE TIPOLOGIE DI DOLORE Come abbiamo già detto, i nocicettori sono quei recettori addetti alla ricezione del dolore. Questi possono captare due tipi di dolore:  Dolore forte e immediato, questo provoca un picco di dolore più intenso dato dalle fibre di tipo A-delta (gruppo 3), dolore che poi si attenua  Dolore meno intenso ma più lungo, dolore quindi non intenso come il primo ma è più duraturo, è trasportato sulle fibre di tipo C (gruppo 4) Le fibre che captano il dolore si chiamano fibre nocicettive. Queste fibre hanno una proprietà particolare: in queste fibre infatti, il segnale si propaga anche in modo opposto, cioè va dal centro (inteso come midollo spinale) alla periferia (diffusione antidromica) (il segnale ovviamente si propaga anche in modo classico, cioè dalla periferia al centro, diffusione ortodromica). Questo fenomeno avviene mediante un’azione vasodilatatoria che crea uno stato infiammatorio (tutto ovviamente parte dalla propagazione dei PA) che amplifica il dolore. CAPITOLO 7.0.1: VIE ASCENDENTI NOCICETTIVE Esistono tre tipologie di vie ascendenti nocicettive (cioè vie sulle quali corre il dolore):  Via spino-talamica, decussa subito e parte dal midollo spinale e arriva al talamo  Via spino-reticolare, decussa subito, si ferma in stazioni reticolari nel bulbo e tocca quindi una sinapsi in più  Via spino-mesencefalica, si ferma in una zona particolare del mesencefalo che è addetta a ricevere stimoli dolorosi 32  CAPITOLO 8: OCCHIO Prima di parlare della fototrasduzione, analizziamo prima nel dettaglio il luogo dove avviene, cioè l’occhio. Nell’occhio, la cornea è a contatto con l’esterno e delimita il bulbo oculare. Dietro alla cornea troviamo la camera anteriore piena di un liquido simile al plasma. Poi troviamo l’iride, cioè la pare colorata dell’occhio e che delimita la pupilla. La luce che entra nella pupilla è messa a fuoco dal cristallino che quindi ci permette di mettere a fuoco le immagini che vediamo. Il fondo oculare è costituito dalla retina che è un sottile strato epiteliale composto da 5 tipi di cellule: 1. Nello strato nucleare esterno, cioè il primo strato che riceve la luce e la trasmette agli altri verso il basso, troviamo coni e bastoncelli che sono i fotorecettori 2. Poi troviamo le cellule orizzontali (sono inibitori) 3. Nello strato nucleare interno ci sono le cellule bipolari (inibitori) 4. Poco più sotto troviamo le cellule amacrine 5. E infine nello strato più basso troviamo le cellule gangliari da dove parte l’informazione verso la corteccia ottica, infatti da qua parte il nervo ottico Fotorecettori, cellule bipolari e cellule gangliari sono connesse in modo verticale, le altre in modo orizzontale. La fovea retinica è il punto di maggior acuità visiva, è un infossamento della retina. In questa parte di retina, ci sono più coni (mentre nel resto della retina la concentrazione di coni e bastoncelli è più o meno uguali). A causa dell’infossamento, in questo punto la luce entra direttamente nei fotorecettori. 33  CAPITOLO 8.1: CONI E BASTONCELLI Coni e bastoncelli sono i due tipi di fotorecettori presenti nell’occhio (fotorecettori = recettori cellulari fotosensibili). Entrambi presentano una zona di contatto sinaptico nella parte bassa e sono in grado di rilasciare i neurotrasmettitori in questa zona (precisiamo però che NON sono cellule nervose). Questi contatti sono delle sinapsi chimiche. Nella parte centrale hanno il nucleo. La parte alta/apicale è molto pronunciata e presente delle introflessioni della membrana plasmatica che nei bastoncelli si staccano e formano dei dischi membranosi (questi dischi nei coni restano invece attaccati alla membrana e quindi hanno una struttura diversa da quella dei bastoncelli proprio perché non si staccano). Su questi dischi membranosi ci sono i pigmenti fotosensibili, cioè le sostanze che reagiscono quando arriva la luce. La differenza tra coni e bastoncelli, oltre alla quantità diversa situata nella retina foveale, è anche la quantità di pigmenti presenti sui dischi: questi infatti sono di più sui dischi dei bastoncelli e questo aumenta la probabilità che la luce captata da questi dischi generi una variazione di potenziale (cioè un segnale elettrico, ecco perché i bastoncelli sono deputati alla visione notturna in quanto la luce è minore e quindi c’è bisogno di più probabilità di fare potenziali). Sui dischi dei coni invece questi pigmenti sono presenti in quantità minore e quindi la probabilità è minore, pertanto i coni sono deputati alla visione diurna e dei colori. CAPITOLO 8.2: MECCANISMO DELLA FOTOTRASDUZIONE Come detto, questo processo avviene nell’occhio. Sui dischi membranosi sono presenti dei recettori molecolari che trasformano l’energia luminosa in energia elettrochimica (cioè in una variazione del potenziale elettrico di membrana). Sulla membrana dei dischi infatti particolari proteine recettori che sono specializzate nel fare questa conversione, una delle principali è la redoxina (composta da due parti). La redoxina interagisce con una proteina G quindi possiamo dire tranquillamente che è un recettore metabotropico e che attiva una serie di processi che porta alla cascata del segnale. 34 Il segnale che attiva questi recettori è la luce. La luce interagisce con la redoxina che fa attivare, come detto, la cascata del segnale la quale porta all’attivazione di un enzima che degrada GMPc (ciclico) che serve a tenere aperti dei canali ionici che fanno passare sodio e calcio sotto forma di cationi (degradando quindi questo GMPc (ciclico) questi canali ionici si chiudono). [Cioè I canali ionici di sodio e calcio situati sulla membrana dei dischi di coni e bastoncelli sono ligando-dipendenti e hanno come ligando il GMPc (ciclico), quando questo ligando è tanto questi canali sono aperti, quando viene degradato (cioè quando arriva la luce) questi si chiudono]. Al buio, i fotorecettori sono depolarizzati, hanno un potenziale di -40mV e rilasciano continuamente glutammato. Quando invece arriva la luce (stimolo luminoso) questo rilascio di glutammato viene interrotto perché la membrana si polarizza. Sia alla luce che al buio, sono presenti e sempre aperti dei canali di potassio che fanno uscire potassio, iperpolarizzando la membrana. Al buio i fotorecettori sono depolarizzati perché entra solo sodio e calcio mentre esce potassio. Alla luce questi sì iperopolarizzano perché, come detto, i canali di sodio e calcio si chiudono (causa degrado di GMPc) e continua ad uscire solamente potassio nel segmento interno. Questa iperopolarizzazione porta il potenziale di membrana a -60 mV, un valore che quindi non fa rilasciare neurotrasmettitori. Riepiloghiamo in modo più chiaro e schematico i passaggi di questo processo di fototrasduzione: 1. Ricezione della luce nei fotorecettori che si trovano nello strato più alto della retina 2. Nei fotorecettori avviene, grazie a delle proteine specializzate, la trasformazione da energia luminosa a energia elettro-chimica 3. Successivamente avviene una inibizione delle cellule inibitorie (cellule bipolari e cellule orizzontali). Questa inibizione degli inibitori in pratica è una eccitazione 4. A causa di ciò che avviene nel punto 3, l’energia elettro-chimica arriva allo strato più basso dove ci sono le cellule gangliari. Da queste cellule partono i potenziali d’azione verso il nervo ottico collegato ad esse che porta l’energia/segnale alla corteccia visiva 35  CAPITOLO 9: SISTEMA MOTORIO Il sistema motorio è il sistema che collega la corteccia celebrale motoria agli organi effettori (muscoli, ghiandole, vasi sanguigni ecc.) ed è responsabile del movimento nello spazio dell’uomo. Si distinguono movimenti volontari e movimenti involontari (questi ultimi sono generati da circuiti di neuroni indipendenti dalla coscienza e vengono eseguiti anche senza che l’uomo voglia farli intenzionalmente, lo è il respiro per esempio). Ogni movimento è preceduto da una fase preparatoria nella quale è presente l’intenzione mentale di fare quel movimento (cioè si immagina cosa si sta per fare). In questa fase c’è un controllo feedforward che mette i muscoli che si stanno per utilizzare nel movimento in uno stato “d’allerta” facendoli parzialmente contrarre (questo avviene per prepararli alla contrazione successiva che farà avere il movimento). Quando quindi avviene il movimento vero e proprio c’è un controllo a feedback, cioè i muscoli e l’arto utilizzato tornano nella loro posizione originale (precisiamo che questi due tipi di controllo si hanno in caso di allungamento passivo del muscolo). CAPITOLO 9.1: SEDI DEL CONTROLLO DEL MOVIMENTO Le sedi del controllo del movimento sono:  Corteccia celebrale motoria  Tronco encefalico con midollo spinale che si collega con gli organi effettori  Gangli della base (situati sotto la corteccia)  Cervelletto Queste ultime due parti, si trovano nel mezzo tra corteccia e midollo spinale e infatti sono dette sedi intermedie. Nel midollo spinale sono contenuti i motoneuroni. CAPITOLO 9.1.1: MIDOLLO SPINALE Il midollo spinale è formato da sostanza grigia (che, come sappiamo, contiene i corpi cellulari dei neuroni) e da sostanza bianca (che contiene le fibre/le vie/i fasci di assoni derivati dai neuroni, quindi le fibre nervose). I motoneuroni sono contenuti nella sostanza grigia e sono posizionati in base alla zona che innervano (cioè nei lati della sostanza grigia ci sono quelli che innervano gli arti quindi la porzione distale del corpo, mentre al centro ci sono quelli che innervano la parte centrale del corpo quindi la porzione assiale e prossimale del corpo). Questi motoneuroni si “accorpano” (cioè si accorpano i loro somi) in base a cosa vanno a innervare, formando due nuclei motori a colonna (cioè se tagliamo a fette un pezzo di midollo spinale, vediamo che i motoneuroni formano due colonnine che 36 attraversano tutta la porzione di sostanza grigia). I motoneuroni hanno le loro terminazioni nel sistema nervoso periferico perché innervano tutto il corpo (SNP), quindi escono dal midollo. Il midollo spinale contiene anche degli interneuroni brevi e degli interneuroni lunghi che invece non escono dal midollo spinale e modulano l’informazione nervosa. Le vie discendenti che collegato la corteccia celebrale motoria e il midollo spinale sono:  Vie Piramidali/tratto corticospinale laterale, collegano la corteccia motoria e la parte laterale del midollo, decussa nel tronco encefalico a livello delle piramidi e quando decussa, le sue fibre formano due strutture a forma di piramide (ecco perché si chiamano così queste vie), tocca un solo nucleo nel tronco encefalico (nucleo rosso)  Vie extra-piramidali/tratto corticospinale verticale, anche queste partono dalla corteccia motoria, NON decussano, durante il loro percorso toccano molti nuclei nel tronco encefalico (dove si toccano con questi nuclei fanno sinapsi), arrivano nella parte ventrale/mediale del midollo spinale CAPITOLO 9.1.1.1: NUCLEI DELLE VIE PIRAMIDALI E DELLE VIE EXTRA-PIRAMIDALI Entrambe le vie (vie-tratto-fasci = sinonimi, tutti indicano gli assoni), toccano diversi nuclei nel tronco encefalico, durante il loro percorso. Ricordiamo che quando queste vie toccano i nuclei, nei punti di contatto fanno sinapsi, cioè questi punti di contatto sono contatti sinaptici. Un nucleo è formato da gruppi di neuroni. Le vie piramidali toccano solamente il nucleo rosso, generando la via rubro-spinale. Le vie extra-piramidali invece, toccano più nuclei durante il loro percorso dove le fibre si formano e poi ripartono. Questi nuclei, dove l’informazione viene modulata meglio (sono quasi come delle “stazioni di passaggio”), sono:  Sostanza reticolare, da dove si genera il fascio reticolo-spinale che poi scende verso il midollo spinale  Nuclei reticolari, che sono dei nuclei che ricevono informazioni dall’orecchio interno (vestibolo), quindi informazioni su equilibrio e postura, genera il fascio vestibolo-spinale che poi scende verso il midollo spinale  Tetto/collicoli superiori, ricevono informazioni provenienti dalla retina e genera il fascio tetto-spinale In pratica, le informazioni che corrono sulle vie extra-piramidali, si dividono/biforcano in tre “flussi” quando toccano i nuclei, tutti e tre i flussi ovviamente convergono nel midollo spinale. 37  CAPITOLO 9.1.1.2: MOTONEURONI E UNITA’ MOTORIE I motoneuroni trasportano l’informazione motoria, come detto si trovano nei nuclei motori del midollo spinale e da essi partono gli assoni che vanno a “toccare” in più punti (cioè l’assone si ramifica e genera più contatti sinapsi), tutti i muscoli del corpo. L’insieme motoneurone + fibre muscolari toccate forma un’unità motoria. Le fibre innervate dallo stesso motoneurone non sono mai vicine ma sono mescolate ad altre fibre innervate da altri motoneuroni (questo per evitare che, in caso di lesione del motoneurone, non si perda la sensibilità in tutto il muscolo). Esistono tre tipi di unità motorie che si attivano a seconda del movimento che si fa:  Rapide (FF / fast fatigable), unità motorie che sono veloci e quindi generano molta forza ma si affaticano subito  Rapide e Resistenti (FR / fast and resistent to fatigue), sono unità motorie abbastanza veloci e abbastanza resistenti (diciamo che sono la versione intermedia che offre buona forza e buona resistenza)  Lente e Resistenti (S /slow), sono quelle unità che liberano poca forza ma in modo continuo, quindi contrazione lenta ma costante, lo sono ad esempio le unità deputate alla postura Volendo scrivere questi tre tipi di unità in un ordine crescente di forza generata, abbiamo prima le S, poi le FR e poi le FF. La caratteristica di essere elle unità motorie veloci o lente è data dal motoneurone alfa che innerva la fibra (cioè se innerviamo la fibra di un’unità S con un motoneurone FF, questa diventa automaticamente un’unità FF e così via). La differenza quindi tra queste tre tipologie di unità motorie è sostanzialmente per quanto tempo riescono a produrre la loro forza al 100%. I motoneuroni si dividono in:  Motoneuroni piccoli, sono la tipologia più reattiva ed eccitabile a causa della ridotta dimensione che implica una presenza minore di canali ionici, quindi quasi sempre si generano PA anche con segnali provenienti da una sola sinapsi  Motoneuroni medi, sono più grandi dei piccoli e quindi lo stesso segnale che attiva il piccolo raramente genera PA in questa tipologia (cioè un segnale che genera PA in quello piccolo, difficilmente riuscirà ad avere lo stesso effetto in questo medio perché quest’ultimo è più grande e ha più canali ioni e quindi necessità di un segnale più potente)  Motoneuroni grandi, vale lo stesso discorso di quello medio (cioè necessità di segnali ancora più potenti per generare PA, non bastano quelli che invece attiverebbero i piccoli e i medi) Più l’azione/movimento che dobbiamo fare necessità di forza, più si attivano motoneuroni grandi e quindi ad unità motorie FF (perché come detto sono quelle che rilasciano più forza e in modo più rapido, questo avviene tipo quando si salta, cioè quando c’è bisogno di tanta forza muscolare; per le azioni più semplici come il camminare, e che quindi richiedono meno forza, si usano motoneuroni 38 piccolo/medi e unità di tipo FR o S). L’aumento della forza muscolare, si ottiene aumentando il numero e il tipo di unità motorie. CAPITOLO 9.2: MOVIMENTI INVOLONTARI Alla base di questi movimenti involontari troviamo le risposte motorie riflesse che avvengono a livello spinale. Esistono:  Riflessi muscolari/miotatici diretti o inversi, importanti per postura e tono muscolare  Riflessi cutanei, importanti per la difesa del corpo, si attivano per esempio quando pestiamo una puntina e quindi d’istinto ritiriamo il piede e ci allontaniamo dal pericolo  Riflessi viscerali, regolano la funzione degli organi interni CAPITOLO 9.2.1: RIFLESSI MUSCOLARI O MIOTATICI DIRETTI Questo tipo di riflesso usa i fusi intramuscolari/neuromuscolari. Questo perché da questi fusi, dopo la contrazione passiva del muscolo, arriva al midollo spinale l’informazione sotto forma di PA. Nel midollo, c’è una sinapsi tra il neurone sensoriale e l’annesso motoneurone che quindi fa contrarre il muscolo. Questo processo permette il tono muscolare e la postura perché il muscolo resta sempre un po’ contratto per vincere la forza di gravità. Questo quindi si può anche definire come un arco-riflesso composto da una fibra sensoriale (1A) che viene dal muscolo (quindi parte afferente) e da un motoneurone alfa (questo tipo di motoneurone innerva tutti i muscoli scheletrici, cioè quelli che si devono contrarre) che lo fa accorciare (parte efferente). Questo tipo di riflesso presenta una sola sinapsi. Come sappiamo, per ogni muscolo agonista, c’è nè un altro che fa da antagonista. Ebbene, il muscolo antagonista viene rilassato dallo stesso fuso che permette questo riflesso, cioè lo stesso fuso interviene sia nella contrazione del muscolo agonista, sia nel rilassamento di quello antagonista. La contrazione muscolare, fa accorciare anche il fuso neuromuscolare e questo potrebbe causare lo stop del riflesso (questo perché le fibre afferenti non invierebbero più informazioni sotto forma di PA in quanto non sarebbero più in tensione). Questo però non accade perché intervengono nel processo i motoneuroni gamma, presenti solo nei fusi, che mantengono steso il fuso anche quando c’è la contrazione, evitando lo stop (il fuso viene mantenuto steso in quanto viene “tirato” alle estremità, questo processo viene chiamato controllo gamma). Sia i motoneuroni alfa che quelli gamma, sono controllati da centri motori localizzati nel tronco encefalico. 39 Per ricapitolare, la funzione del riflesso muscolare/miotatico è quella di mantenere il tono muscolare necessario al mantenimento della postura, opponendosi alla forza di gravità. CAPITOLO 9.2.1.1: RIFLESSI MUSCOLARI O MIOTATICI INVERSI Questo tipo di riflesso è regolato dall’organo tendineo del Golgi che si attiva, come sappiamo, quando il muscolo si contrae eccessivamente. In questo riflesso intervengono le fibre afferenti (1B) del muscolo che vanno nel midollo e creano due sinapsi: una eccitatoria con il muscolo antagonista e una inibitoria con il muscolo stesso che si contrae (agonista). Questa doppia sinapsi evita quindi una eccessiva contrazione del muscolo, rilasciando leggermente il muscolo. Entrambi i riflessi, cioè quello muscolare e questo muscolare inverso coesistono. CAPITOLO 9.2.2: RIFLESSO CUTANEO Questo riflesso cutaneo si verifica in caso di stimoli nocivi o durante la locomozione provenienti dalla cute o dai meccanorecettori attivati durante la locomozione. E’ un riflesso poli-sinaptico perché prevede più sinapsi. Le fibre afferenti cutanee infatti, fanno sinapsi nel midollo in più punti. Facciamo un esempio concreto di quando si attiva questo tipo di riflesso e cosa succede: poniamo il caso che lo stimolo provenga dal fatto che abbiamo poggiato il piede su un chiodo. In questo caso, i motoneuroni del muscolo che viene ritratto (cioè i muscoli della gamba che tocca il chiodo e che quindi tiriamo indietro d’istinto) vede eccitati i suoi flessori e rilassati gli estensori grazie a un contatto sinapsi. Allo stesso tempo, i muscoli dell’altra gamba vedono eccitati i propri estensori e inibiti i flessori (questo perché alzando l’altra gamba, dobbiamo restare in equilibrio su una sola e quindi c’è bisogno di più stabilità nella gamba che resta ancorata al suolo) e questo avviene sempre grazie ai motoneuroni che li innervano che fanno sinapsi. 40  CAPITOLO 10: AREE CORTICALI DEL MOVIMENTO PRIMARIO/VOLONTARIO Le aree corticali coinvolte nel movimento volontario sono:  Area motoria primaria, la sua stimolazione genera movimenti semplici, ha sede l’homunculus ed è fortemente plastica  Area motoria secondaria, la sua stimolazione genera movimenti complessi e che quindi coinvolgono più muscoli  Area pre-motoria, controlla la muscolatura assiale e prossimale durante la fase preparatoria ad un movimento  Area supplementare motoria, è importante per la programmazione di sequenze motorie CAPITOLO 10.1: CONNESSIONI DEI NUCELI SOTTOCORTICALI CON LE AREE MOTORIE CORTICALI Come abbiamo detto nei capitoli precedenti, nel controllo motorio intervengono anche gangli della base e cervelletto. Queste sono sedi intermedie tra corteccia e midollo spinale. Gangli della base e cervelletto sono collegati in parallelo alla corteccia e al midollo spinale. Gangli della base e cervelletto ricevono le informazioni dalla corteccia celebrale motoria, le elaborano e le rimandano indietro alla corteccia che poi le “inoltra” al midollo spinale. CAPITOLO 10.2: GANGLI DELLA BASE/NUCLEI DELLA BASE I gangli della base (detti anche nuclei della base) sono strutture sottocorticali. Sono dei gruppi di neuroni localizzati nella parte interna degli emisferi cerebrali e nel tronco dell’encefalo. Questi gangli della base hanno, in ordine: 1. Nucleo striato, dove arrivano le informazioni che corrono sulle fibre afferenti provenienti dalla corteccia cerebrale e dai nuclei intralaminari del talamo, costituito da nucleo caudato e putamen. I suoi neuroni sono tutti GABAergici e fanno sinapsi con i neuroni del globo pallido 2. Globo Pallido, suddiviso in segmento esterno e segmento interno 3. Sostanza nera 4. Nuclei del talamo/talamici, dove esce l’informazione e torna alla corteccia Quasi tutti i nuclei talamici che si trovano in questa componente sono inibitori. Se si danneggia/altera anche un solo nucleo, si hanno gravi conseguenze motorie (il Morbo di Parkinson tocca proprio questi nuclei che vengono fortemente inibiti e quindi si hanno problemi a camminare, questo perché la corteccia motoria sarà meno eccitata da questi neuroni talamici, questo fenomeno si chiama Ipocinesia) (viceversa, il Morbo di Huntington, abbassa il livello di inibizione e quindi c’è 41 un’eccitazione eccessiva che genera movimenti eccessivi/non spontanei incontrollabili, questo viene chiamato Ipercinesia e appunto prevede una over-eccitazione della corteccia motoria). Per ricapitolare, i gangli della base servono a regolare la capacità di fare i movimenti volontari. I gangli della base fanno parte di un circuito riverberante mediante il quale l’informazione proveniente dalla corteccia circola attraverso questi gangli e il talamo, per poi tornare nuovamente alla corteccia. CAPITOLO 10.3: CERVELLETTO La funzione del cervelletto nel controllo del movimento è quella di comparare l’esecuzione del movimento con l’intenzione di esecuzione. Il cervelletto infatti controlla la qualità del movimento confrontando intenzione e movimento effettivamente fatto, pertanto viene definito un organo comparatore. In breve, è un organo addetto al controllo del movimento, alla coordinazione dei movimenti corporei, al mantenimento dell’equilibrio e all’apprendimento motorio. Il cervelletto presenta una parte centrale detta verme (influenza la sensibilità somatica degli arti) e due emisferi laterali cerebellari. Nella parte inferiore ha il vestibolo cerebello. Le principali componenti strutturali sono:  Corteccia cerebellare, dove avviene la processazione ella maggior parte delle informazioni che arrivano al cervelletto; divisa in tre strati (strato granulare, strato delle cellule di Purkinje, strato molecolare che ha le cellule di Purkinje2 e le fibre parallele)  Nuclei cerebellari profondi  Penduncoli cerebellari Dal punto di vista funzionale, il cervelletto si divide in tre regioni:  Cerebrocerebello, corrisponde anatomicamente alle porzioni laterali degli emisferi cerebellari annessi al nucleo dentato, ha una sola connessione con la corteccia celebrale e non con il midollo spinale  Spinocerebello, ha estese connessioni con il midollo spinale ed è costituito da verme e dalla parte intermedia degli emisferi cerebellari  Vestibolocerebello, regola l’equilibrio ed i movimenti oculari attraverso le connessioni con il sistema vestibolare Per coordinare i movimenti, il cervelletto utilizza le istruzioni motorie che gli arrivano dalla corteccia motoria e le confronta con le informazioni provenienti dai recettori muscolari. 42 2 Le cellule di Purkinje sono l’unica via d’uscita della corteccia cerebellare