CORSO DI LAUREA in Scienze e tecniche psicologiche. Corso di Neurofisiologia Clinica

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1 CORSO DI LAUREA in Scienze e tecniche psicologiche Corso di Neurofisiologia Clinica Guido Rodriguez Andrea Brugnolo Nicola Girtler Neurofisiologia Clinica (DiNOG) Università di Genova

2 Lo sviluppo dei neuroni nella maturazione cerebrale

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4 IL Neurone I dentriti L assone This image is copyright Dennis Kunkel at

5 Neuroni I neuroni sono di diversa grandezza e forma; alcuni dei più piccoli hanno un corpo di soli 4 microns, mentre alcuni dei più grandi sono di circa 100 microns. I neuroni sono simil alle altre cellule: 1. Hanno una membrana cellulare. 2. Hanno un nucleo che contiene geni. 3. Contengono citoplasma, mitocondri ed altri "organelli". 4. Posseggono processi di base quali la sintesi proteica e la produzione di energia.

6 Camillo Golgi Fu insignito del Premio Nobel per la Medicina (precisamente "Medicina o Fisiologia") nel 1906 ex aequo con Santiago Ramón y Cajal, per gli studi sulla istologia del sistema nervoso: Golgi per la messa a punto della Reazione Nera, Cajal per le scoperte compiute grazie alla colorazione di Golgi (Cajal scoprì che i neuroni sono separati fisicamente l'uno dall'altro, ossia che interagiscono tra di loro non per continuità, bensì per contiguità attraverso la Sinapsi e che non sono uniti a formare un'unica rete sinciziale come sosteneva Golgi

7 Cosa c è dentro? Gli "organelli dei neuroni sono assimilabili a quelli delle altre cellule del corpo. Nucleo - Contiene materiale genetico (cromosomi) che conserva le informazioni per lo sviluppo cellulare e la sintesi di proteine necessarie per il mantenimento delle cellule. Ricoperto da una membrana. Nucleolo Produce I ribosomi necessari per ola translazione delle informazioni genetiche in proteine. Corpi di Nissle - gruppi di ribosomi utilizzati per la sintesi proteica. Reticolo endoplasmatico (RE) sistema di tubi per il trasporto di materiali nel citoplasma. Può avere o no ribosomi; se li possiede è importante per la sinstesi proteica. Apparato di Golgi - strutture vicine alla membrana importanti per impacchettare i peptidi e le proteine (inclusi i neurotransmettitori) nelle vescicole. Microfilamenti/Neurotubuli sistema di trasporto del materiale nel neurone che può essere utilizzato come supporto strutturale. Mitocondri Producono energia per mantenere le attività cellulari.

8 1 Reticolo endoplasmatico rugoso (corpo di Nissl) Poliribosomi 3 Ribosomi 4 Apparato Golgi 5 Nucleo 6 Nucleolo 7 Membrana 8 Microtubuli 9 Mitocondrio 10 Reticolo endoplasmatico liscio 11 Cono di emergenza (assone) 12 Nucleo (cellula di Schwann) 13 Sinapsi (assone somatico) 14 Sinapsi (assone dendritico) 15 Dendriti 16 Assone 17 Neurotrasmettitore 18 Recettore 19 Sinapsi 20 Microfilamenti 21 Guaina mielinica (cellula di Schwann) 22 Nodo di Ranvier 23 Terminale assonale 24 Vescicole assonali 25Sinapsi (assone assone) 26 Distanza sinaptica

9 Neuroni I neuroni sono di diversa grandezza e forma; alcuni dei più piccoli hanno un corpo di soli 4 microns, mentre alcuni dei più grandi sono di circa 100 microns. Si differenziano perchè: 1. Hanno estensioni definite come dendriti e assoni; i primi portano informazioni i secondi le inviano agli altri neuroni. 2. Comunicano tra di loro attraveso processi elettrochimici. 3. Contengono strutture specializzate (sinapsi) e sostanze chimiche (i neuro trasmettitori).

10 La membrana cellulare

11 Struttura e funzioni della membrana cellulare La membrana cellulare ha diverse funzioni: racchiude la cellula e la delimita definendone i confini mantiene la separazione fra citosol e ambiente extracellulare media e seleziona il trasporto di determinate sostanze impedendo ingresso e uscita di altre

12 Le membrane hanno struttura simile a doppio strato con due costituenti principali che sono: Proteine: intriseche ed estrinseche Lipidi: i più abbondanti sono i fosfolipidi che sono molecole anfipatiche con una porzione idrofilica (testa) ed una porzione idrofobica (coda). Altri lipidi abbondanti in membrana sono: glicolipidi e colesterolo

13 Struttura della membrana cellulare con fosfolipidi (in viola) e proteine intrinseche (in azzurro) ed estrinseche (in verde) Struttura di un fosfolipide

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15 Canali ionici La membrana cellulare è spessa 6-8 nm, e consiste in un mosaico di lipidi e di proteine. I lipidi sono idrofobici e non permettono il passaggio di ioni. Gli ioni sono idratati e, perche possano attraversare il doppio strato idrofobico, le molecole d acqua dovrebbero essere staccate dallo ione. Questo richiede molta energia.

16 Canali ionici La soluzione e quella di fornire agli ioni dei cammini privilegiati quali i canali ionici, che permettano loro di attraversare la membrana con tutte o quasi le loro molecole d acqua. I pori dei canali ionici forniscono quindi agli ioni un ambiente polare.

17 I pori dei canali ionici forniscono quindi agli ioni un ambiente polare. Quando uno ione positivo entra in contatto con l'elettrodo negativo (il catodo in questo caso) è forzato ad acquisire da esso elettroni, ossia subisce una riduzione. Quando uno ione negativo entra in contatto con l'elettrodo positivo (l' anodo in questo caso) cede forzatamente a questo i suoi elettroni, cioè subisce un' ossidazione.

18 Caratteristiche fondamentali: 1. Apertura e chiusura: i canali possono aprirsi e chiudersi in base alla variabile conformazione delle proteine che li costituiscono 2. Selettivita dei canali: grazie alle diverse sequenze di aminoacidi che tappezzano l interno del canale viene permesso il passaggio solo di alcuni ioni, quindi 3. Per i vari tipi di ioni esistono canali specifici

19 Caratteristiche fondamentali: 1. Canali ionici con porta a potenziale 2. Canali ionici a porta chimica a) canali attivati da ligandi extracellulari b) canali attivati da ligandi endocellulari

20 Un canale K+:

21 Canali ionici con porta a potenziale Una classe di canali si apre e si chiude per una differenza di potenziale trans-membrana (voltaggio). Ci sono molti tipi di canali. Tra questi: -Canali del Na+ -Canali del K+ -Canali del Ca2+ - Canali del Cl-

22 Canali ionici con porta a potenziale CHIUSO APERTO

23 Canali ionici con porta a potenziale Da Purves et al. Zanichelli 2004 Regione responsabile conduzione e selettività Org proteine

24 Canali ionici con porta a potenziale Sono coinvolti in: 1. Inizio e propagazione del potentiale d azione 2. Controllo della trasmissione sinaptica 3. Omeostasi intracellulare degli ioni 4. Altri aspetti di funzione intracellulare: Agiscono come attivatori degli enzimi Coordinano i segnali tra la membrana cellulare e gli organelli interni (es, mitocondri).

25 Geni e canali Moltissimi sono i geni che codificano i canali. Ad oggi si conoscono 6 geni per il Na+ e per il Ca+ mentre sono 25 quelli per il K+. Ci sono quindi malattie genetiche che comportano alterazioni dei canali ionici a porta a potenziale; quelle più conosciute sono relative alla muscolatura scheletrica e portano a rigidità o a paralisi. Le prime legate a difetti dei canali del Cl- (produzione spontanea di PdA) altre portano a paralisi colpendo i canali del Ca+ (l intimo meccanismo non è chiarito) Da Purves et al. Zanichelli 2004

26 La membrana cellulare permette il passaggio di sostanze in modo selettivo grazie a meccanismi di trasporto. Il doppio strato lipidico costituisce una barriera al passaggio di tutte le molecole polari (cioè con una carica positiva su una parte ed una negativa su quella opposta) cariche, mentre permette il passaggio di piccole molecole polari prive di carica. Le sostanze idrofobiche passano invece bene il doppio strato senza causare problemi (O2, CO2, N2).

27 Esistono meccanismi di trasporto che avvengono senza attraversamento della membrana cellulare come: Fagocitosi (materiale particolato; vedi macrofagi) Pinocitosi (molecole solubili; endocitosi costitutiva) Endocitosi (materiale inglobato in seguito ad interazione con recettori; per assunzione di ormoni, fattori di crescita) Esocitosi (verso l esterno. Secrezione di neurotrasmettitori, zimogeni pancreatici etc.)

28 pinocitosi fagocitosi endocitosi esocitosi

29 Esistono meccanismi di trasporto che prevedono attraversamento della membrana cellulare. Fra questi ricordiamo: Diffusione semplice: regolata dalla legge di Fick J=-DA dc/dx Diffusione facilitata (elevata specificità chimica delle proteine trasportatrici) Trasporto attivo (primario e secondario)

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31 Il trasporto attivo entra in gioco tutte le volte che sostanze sono mosse contro un gradiente concentrazione. Questo tipo di trasporto implica dispendio energetico che viene fornito dal consumo ATP. Per questo tipo di trasporto vale l equazione Michaelis- Menten: V=Vmax [S] / (Km + [S]) le di un di di

32 Un esempio tipico di trasporto attivo è la pompa Na-K ATPasi che sposta 3 ioni Na+ verso l esterno e 2 ioni K+ verso l interno contribuendo alla negatività della membrana cellulare (pompa elettrogenica). È fosforilata durante il suo ciclo di attività e quindi è indicata come ATPasi di tipo P. È inibita dall ouabaina che compete per il sito del potassio. Risulta costituita da due subunità: Subunità α detta catalitica di circa 100 kda Subunità β glicoproteica di circa 50kDa.

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34 Caratteristiche generali degli equilibri ionici Potenziale di Nernst per Na+ e K+

35 I segnali elettrici Da Purves et al. Zanichelli 2004

36 Alla fine del 19esimo secolo si sapeva che il citoplasma cellulare è ricco di ioni K+ e che il Na+ è poco concentrato e che questa situazione è opposta nell ambiente extracellulare. La prima assunzione fatta è stata quella di considerare la membrana permeabile al potassio, ma non al sodio e calcolare quindi il potenziale di riposo trans-membrana come un potenziale di Nernst per il potassio. In realtà la membrana è permeabile al Cl- tanto quanto al potassio e questi due ioni sono fra loro in equilibrio secondo un equilibrio di Donnan che afferma: [K+]out [Cl-]out = [K+]in [Cl-]in Ogni volta che due ioni possono attraversare la membrana cellulare, il prodotto delle loro concentrazioni extracellulari è uguale al prodotto delle concentrazioni intracellulari

37 Una differenza di carica elettrica fra interno ed esterno della superficie della membrana è detta potenziale elettrico. Tutte le cellule animali e vegetali sono caratterizzate da un potenziale di membrana di riposo (resting potential) che dipende dal movimento di tutti gli ioni permeabili attraverso la membrana cellulare. Il valore del potenziale di riposo è variabile fra cellula e cellula, ma approssima il potenziale di Nernst dello ione potassio. Vediamo perché. Quando una o più specie ioniche si distribuiscono sui due lati della membrana cellulare, ciascuna tenderà a spostare il valore del potenziale al valore del suo potenziale di equilibrio elettrochimico.

38 Tanto più la membrana è permeabile ad una specie ionica, tanto maggiore sarà la forza che tale specie ionica eserciterà nello spostare il valore del potenziale. In una membrana permeabile a più ioni il potenziale trans-membrana dipende da: I. Carica elettrica di ciascuno ione II.Permeabilità della membrana a ciascuno ione III.Concentrazione interna ed esterna della specie ionica

39 La formula che meglio descrive il potenziale di riposo di una membrana cellulare è l equazione di Goldman che considera non soltanto le concentrazioni ioniche delle specie in gioco, ma anche la permeabilità della membrana.

40 Il fatto che, anche se in piccola percentuale, la membrana a riposo sia permeabile anche al Na+, fa sì che il potenziale di riposo non sia esattamente il potenziale di Nernst del potassio, ma sia un po meno negativo. Questo dipende dal fatto che il Na+ tende a spostare il potenziale verso il suo potenziale di equilibrio elettrochimico (potenziale di Nernst). Vresting=-70 / -80mV EK=-90mV

41 Affinché il potenziale di riposo si mantenga dobbiamo mantenere le differenze di concentrazione fra le specie ioniche considerate fra ambiente intra- e extracellulare. Per fare questo dobbiamo quindi mantenere i gradienti di concentrazione controbilanciando il movimento passivo degli ioni Na+ verso l interno della cellula e degli ioni K+ verso l esterno della cellula. Questo è fatto dalla pompa Na-K ATPasi che mantiene i gradienti ionici spostando ioni sodio e ioni potassio con dispendio di energia. In questo modo il potenziale di riposo può essere mantenuto.

42 Na+ K+ La pompa sodio-potassio

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45 Il potenziale di riposo A riposo, gli ioni potassio (K+) possono attraversare la membrana abbastanza facilmente, mentre gli ioni cloro (Cl-) e sodio (Na+) hanno maggiore difficoltà. Le proteine, caricate negativamente, che si trovano dentro il neurone non possono uscirne. La membrana cellulare è dotata anche di pompe che consumano energia per spostare 3 ioni sodio fuori dal neurone ogni 2 ioni potassio che vengono presi dentro. La differenza di voltaggio, fra esterno ed interno del neurone, prende il nome di potentiale di riposo. Il potenziale di riposo della membrana di un neurone è di circa -70 mv (mv=millivolt) cioè l'interno del neurone è di 70 mv più negativo

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47 Il potenziale d azione E la risposta ad uno stimolo depolarizzante che possono dare cellule elettricamente eccitabili, cioè provviste di un corredo di canali ionici voltaggio-dipendenti per il Na+ e per il K+ Significato funzionale: Nei neuroni segnale elettrico che propagandosi lungo la fibra nervosa consente la trasmissione di messaggi elettrici Nelle fibrocellule muscolari innesca il processo della contrazione

48 Il potenziale d azione Soglia a -55 mv Quando raggiunta parte lo spike di ampiezza sempre uguale in un neurone FENOMENO del TUTTO o NULLA

49 Caratteristiche generali del potenziale d azione La soglia Lo stimolo soglia è lo stimolo depolarizzante di intensità minima in grado di generare un potenziale d azione in un neurone La legge del tutto o nulla In un neurone un potenziale d azione o è generaro e si sviluppa in tutta la sua ampiezza, se lo stimolo raggiunge o supera la soglia, oppure non è generato affatto, se l ampezza dello stimolo è inferiore alla soglia. La refrattarietà Un neurone, una volta generato un potenziale d azione viene a trovarsi in uno stato di refrattarietà - periodo di refrattarietà assoluta: nessuno stimolo per quanto intenso è in grado di generare un secondo potenziale d azione - periodo di refrattarietà relativa: un secondo stimolo, a condizione che sia sufficientemente più intenso di quello soglia, è in grado di genrare un secondo potenziale d azione

50 Genesi ionica del potenziale d azione ancor più canali del sodio si aprono i canali del sodio inattivano si aprono i canali del sodio si aprono i canali del potassio i canali del potassio si chiudono tempo

51 Un altra importante proprietà del potenziale d azione è quella di potersi propagare lungo la fibra nervosa Dal vivo

52 I Neuroni Polarizzazione: la direzione del flusso delle informazioni.

53 Assoni & Dendriti: Alcune differenze tra assoni and dendriti: Assoni Dendriti Portano le informazioni al di fuori della cellula Portano informazioni alla cellula Superferficie non rugosa Hanno superfice rugosa (spine dendritiche) Generalmente 1 assone per cellula Usualmente molti dendriti per singola cellula Non presenti i ribosomi Hanno ribosomi e mitocondri Può essere circondato da mielina Non sono isolati dalla mielina Si alontana molto dal corpo cellulare Ramificano vicino al corpo cellulare

54 Il principio della polarizzazione dinamica L informatione (generalmente) corre in una singola direzione Neurone pre-sinaptico : Generano un potentiale d azione che arriva al terminale presinaptico generando il rilascio di neurotrasmettitori. Neurone post-sinaptico : I neurotransmettitori attivano il terminale postsinaptico sui dendriti, da dove il segnale è trasmesso al corpo cellulare.

55 Terminologia: Efferente = che si allontana da Si riferisce al segnale che va via dal neurone (esempio, attraverso un assone). Afferente = va verso Si riferisce al segnale che raggiunge un neurone (esempio, attraverso un dendrite).

56 Il sistema efferente: l assone La comunicazione tra neuroni si ottiene tramite un impulso elettrico che viaggia nell assone fino alle sinapsi.

57 Assoni I diversi tipi di assoni

58 La generazione dei segnali elettrici è stata studiata nell assone del calamaro gigante Da Purves et al. Zanichelli 2004

59 Conduzione del PdA nell assone Da Purves et al. Zanichelli 2004

60 La velocità di conduzione del PdA nell assone è aumentata per la mielina Da Purves et al. Zanichelli 2004

61 Le velocità dei potenziali d azione Da Purves et al. Zanichelli 2004

62 Terminologia: Efferente = che si allontana da Si riferisce al segnale che va via dal neurone (esempio, attraverso un assone). Afferente = va verso Si riferisce al segnale che raggiunge un neurone (esempio, attraverso un dendrite).

63 Un sistema afferente: I dendriti e le loro spine: L entità integrativa del neurone. Contengono la maggioranza delle sinapsi. Contengono un alta concentrazione di canali ionici e di recettori di membrana.

64 Plasticità neuronale Johansson k.j. Med Topo sacrificato a 4 mesi di vita passata in un ambiente povero o arricchito (molte attività)

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66 Glia

67 Glia Astrociti Microglia Oligodendroglia Cellule di Schwann

68 Cellule Gliali Differenti funzioni: nutritive isolanti elettrici scavengers (ruolo immunologico) contenitori di K+ guida per altre cellule giunzioni strette (Barriera Emato-Encefalica)

69 Studi recenti rivelano che la glia è attiva 1. La Glia comunica attraverso le gap junctions 2. La Glia comunica con i neuroni attraverso le gap junctions 3. Le Gap junctions permettono la diffusione degli ioni calcio ed il rilascio del calcio dai depositi interni. 4. La comunicazione gliale potrebbe sottendere ad un gran numero di condizioni patologiche.

70 ASTROCITI

71 ASTROCITI

72 Onde di Calcio in astrociti

73 Gli astrociti considerati non interessanti fino ad oggi. Recenti scoperte suggeriscono inaspettate nuove funzioni per queste cellule che entrano in gioco in molte attività cerebrali con i neuroni. Gli astrociti entrano nella regolazione dinamica della produzione neuronale, nella formazione del network sinaptico, nell attività elettrica ed in specifiche patologia.

74 ASTROCITI

75 Oligodendrocita

76 Glia riconosciuta come target dell eccitotossicità Le cellule oligodendrogliali esprimono sottotipi di recettori AMPA del glutamato. Le cellule oligodendrogliali sono quelle tra le cellule della materia bianca più suscettibili all eccitotossicità negli insulti anossici. From: Li S, Mealing GA, Morley P, Stys PK J Neurosci 1999 Jul 15;19(14):RC16

77 La trasmissione sinaptica

78 L encefalo umano contiene circa 100 miliardi di neuroni, ciascuno capace di influenzare molte altre cellule. Pertanto è necessario un meccanismo dotato di grande efficienza per rendere possibile la comunicazione fra questo numero enorme di elementi. Questa comunicazione è resa possibile dalle sinapsi, i contatti funzionali fra i neuroni. La prima distinzione fondamentale è fra Sinapsi elettriche: flusso passivo di corrente elettrica fra un neurone e l altro Sinapsi chimiche: comunicazione possibile grazie alla secrezione di neurotrasmettitori

79 Si definisce elemento pre-sinaptico l elemento cellulare a monte della sinapsi e che riceve un segnale da trasmettere. Si definisce elemento post-sinaptico l elemento cellulare a valle della sinapsi che riceve l informazione

80 Sono in minoranza rispetto alle sinapsi chimiche, ma presenti ovunque, specialmente dove sia necessario sincronizzare l attività di un gruppo di cellule in maniera rapida ed efficiente. Le due membrane sono molto vicine fra loro unite da una giunzione comunicante (gap junction). Queste strutture sono costituite da canali esattamente allineati fra loro sulle due membrane (pre- e post-sinaptica) che formano un poro di diametro molto maggiore del poro dei canali ionici visti per il potenziale d azione

81 Questi pori consentono il passaggio anche di molecole di relative grosse dimensioni come ATP e alcuni secondi messaggeri. Gli ioni fluiscono dal neurone pre-sinaptico al neurone post-sinaptico veicolando corrente.

82 Questa struttura implica diverse conseguenze che differenziano profondamente la sinapsi elettrica dalla sinapsi chimica. Una sinapsi elettrica: È bidirezionale: il flusso ionico può avvenire nelle due direzioni Non mostra ritardo sinaptico: è un flusso ionico estremamente veloce Mostra continuità citoplasmatica fra i due elementi Distanza fra elemento pre- e post-sinaptico di 3.5nm contro i nm della sinapsi chimica.

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84 La gap junction è formata da una struttura detta connessone costituita da 6 sub-unità dette connessine che delimitano un poro attraverso cui passano gli ioni.

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86 Le sinapsi elettriche sono diffuse in tutti i tessuti in cui si ha bisogno di ottenere un azione sincrona con trasmissione rapida dell informazione. Questo avviene per esempio a livello del miocardio, dove si ha bisogno di una contrazione muscolare contemporanea di tutte le fibrocellule atriali e ventricolari. Avviene in alcune aree del SNC (ipotalamo per il controllo della secrezione ormonale), a livello di epatociti, fibrocellule lisce dell intestino, cellule epiteliali del cristallino.

87 Nelle sinapsi chimiche l elemento pre- e post-sinaptico sono separati fra loro da uno spazio di circa 50nm detto spazio sinaptico (synaptic cleft). Da un punto di vista microscopico le sinapsi chimiche sono caratterizzate da vescicole sinaptiche nella terminazione pre-sinaptica. Queste vescicole contengono il trasmettitore chimico diverso a seconda della sinapsi considerata. La sinapsi chimica più studiata è la giunzione neuromuscolare.

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89 La trasmissione sinaptica in una sinapsi chimica segue una complessa catena di eventi che si innesca quando un potenziale d azione invade la terminazione del neurone pre-sinaptico. Vediamo qual è la sequenza di eventi.

90 Elementi di una giunzione neuromuscolare

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92 I recettori si dividono in due classi principali: Recettori a gating diretto: sono recettori che, oltre a portare il sito di legame per il trasmettitore sono anche canali. Ad esempio i recettore colinergico nicotinico, il recettore GABAergico A, il recettore NMDA per il glutammato, recettore AMPA-kainato, recettore serotoninergico 5-HT3. Recettori a gating indiretto: sono accoppiati ad un canale attraverso un G-proteina ed eventualmente un sistema di secondi messaggeri. Ad esempio i recettori α- e βadrenergici, i recettori colinergici muscarinici (M1-M5), GABA e i recettori per tutti i neuropeptidi.

93 Recettore a gating diretto: recettore nicotinico

94 Recettore a gating indiretto: recettore muscarinico M2

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96 Spazio sinaptico Muscolo

97 Rivediamo la sequenza completa degli eventi

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100 Sommazione spaziale= è la somma dell effetto di input sinaptici multipli in punti diversi del soma e dei dendriti della cellula. Due stimoli eccitatori sottosoglia possono, se sommati, dare una depolarizzazione che arriva a soglia. Sommazione temporale= è l accumulo di deplarizzazioni successive dovute all attività ripetitiva. Ciascun potenziale si somma al precedente sulla fase di discesa.

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