Nei meandri del cervello Il suo funzionamento visto con gli occhi del chimico Stefano Mammi Dipartimento di Scienze Chimiche Università di Padova
Organizzazione del Cervello Lobo Frontale Lobo Parietale Lobo Occipitale Lobo Temporale Cervelletto
Il Cervello Umano movimento giudizio ricompensa memoria sensazioni visione coordinazione
matematico biologo sociologo chimico medico fisico psicologo, filosofo, etc...
Fisiologia Molecolare Genetica Molecolare Biologia Molecolare Psichiatria Molecolare Medicina Molecolare Patologia Molecolare
Primo Principio del Nuovo Quadro Intellettuale per la Psichiatria Tutti i processi mentali, anche i processi psicologici più complessi, derivano da operazioni del cervello. Kandel, ER. A New Intellectual Framework for Psychiatry. Am. J. of Psychiatry: 155 1998, p. 457. Pensieri, Sentimenti, Comportamento Mente/Cervello Circuiti Il chimico conosce le molecole Cellule Membrane Molecole capisce come reagiscono e perché
Riconoscimento Molecolare
Atomi, ioni e molecole
Atomi, ioni e molecole
Atomi, ioni e molecole
Nei meandri del cervello...
Connessione fra neuroni
Tipica Disposizione nelle Connessioni Neurali I neuroni comunicano attraverso segnali elettrici I neuroni sono eccitabili Nel corpo cellulare vi è un reticolo endoplasmatico esteso e nucleoli prominenti Sono presenti lunghe appendici o processi: Dendriti (ricevono informazioni) Assoni (trasmettono informazioni); alcuni sono ricoperti di mielina Un insieme di assoni costituisce un NERVO
Attraverso la membrana neuronale c è una distribuzione asimmetrica di ioni 2 K + ATP ADP + P 3 Na + i 3 Na + Ca ++ Na + K + K + Cl - Glucose Potenziale di membrana Na + http://digilander.libero.it/itisaltamura/arizona/lipidi/trasporto.htm http://www.bris.ac.uk/synaptic/public/basics_ch1_2.html
E se ci sono molti ioni che diffondono? Concentrazioni ioniche dentro e fuori la membrana: Dentro Fuori Potenziale all equilibrio Na + 15 mm 150 mm +60 mv K + 150 mm 6 mm -90 mv Cl - 9 mm 125 mm -70 mv Ca ++ 100 nm 1.3 mm +130 mv Potenziale di membrana a riposo: -70 mv + + + + + + + + + + + + + + + + K + Na + Cl -
Potenziale d azione: sua propagazione lungo l assone La mielina agisce da isolante ed inibisce il passaggio di ioni attraverso la membrana che circonda. http://www.bris.ac.uk/synaptic/public/basics_ch1_2.html Propagazione del potenziale d azione
I potenziali d azione causano il rilascio di neurotrasmettitori da parte del terminale assonale presinaptico Trasmissione sinaptica http://www.mind.ilstu.edu/flash/synapse_1.swf
L attività del neurotrasmettitore viene interrotta da: diffusione lontano dalla sinapsi, trasporto all interno di cellule (gliali o il neurone presinaptico), o degradazione da parte di enzimi specifici.
Il sistema Serotonina La Serotonina (5-HT) è il neurotrasmettitore dei nuclei del rafe. Neocorteccia Gangli della base È implicata nel controllo del sonno e della veglia. Ipotalamo Lobo temporale Nuclei del rafe Talamo Cervelletto
Il sistema Dopamina La Dopamina è il neurotrasmettitore della Substantia nigra e dell area tegmentale ventrale. Lobo frontale Striato Substantia nigra Ha un ruolo fondamentale nel Area tegmentale ventrale controllo dei movimenti corporei e nella motivazione e nel rinforzo emozionale.
Un Sacco di Chimica!!!! la Serotonina e la Noradrenalina ci fanno sentire eccitati La Dopamina ci fa sentire felici
F 3 C O CH (CH 2 ) 2 -NHCH 3 Fluoxetine Prozac
O HN CH 3 HC CH 3 CH 2 O C H2 Ecstasy
Serotonina nella Corteccia Cerebrale Normale 2 Settimane 7 anni dopo Ecstasy dopo Ecstasy
Sentirsi bene: il Sistema di Ricompensa della Dopamina
La Cocaina aumenta i livelli di DA impedendone la ricaptazione
amphetamines opiates THC PCP ketamine Nucleus accumbens alcohol benzodiazepines barbiturates Dopamine Pathways
Effetto di Droghe sul Rilascio di Dopamina 1100 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 Accumbens ANFETAMINA DA DOPAC HVA 00 11 22 33 44 5 hr Time After Amphetamine 400 300 200 00 % of Basal Release % of Basal Release 100 % of Basal Release % of Basal Release 00 COCAINA Accumbens DA DOPAC HVA 00 11 22 33 44 5 hr Time After Cocaine 250 200 150 100 % of Basal Release 00 00 11 22 3 hr Time After Nicotine NICOTINA Accumbens Caudate 250 200 150 100 % of Basal Release % of Basal Release Di Chiara and Imperato, PNAS, 1988 00 Accumbens ETANOLO Dose (g/kg ip) 0.25 0.5 11 2.5 00 11 22 33 4hr Time After Ethanol
MPPP: un eroina sintetica MPPP MPTP O CH 3 O N CH 3 N CH 3 eroina 1-metil-4-fenil- 1-metil-4-fenilpropionossipiperidina 1,2,3,6-tetraidropiridina
MPTP N CH 3 MPP + N + CH 3 Effetti dell MPTP HO MPDP + N + CH 3 Dopamina OH + NH3
Effetti dell MPTP
α-sinucleina, Neuroni Dopaminergici, e Malattia di Parkinson Barnham, Masters and Bush, Nature, 2004
α-sinucleina e le sue Molteplici Conformazioni Bisaglia, Trolio, Bellanda, Bergantino, Bubacco, and Mammi, Prot. Sci., 2006 Serpell, Berriman, Jakes, Goedert, and Crowther, PNAS, 2000
Come si Formano le Fibrille di α-sinucleina? Bisaglia, Mammi and Bubacco J. Biol. Chem. 2007 Bisaglia, Trolio, Bellanda, Bergantino, Bubacco, and Mammi, Prot. Sci., 2006
Imaging Cerebrale: Anatomia TAC Fotografia PET MRI Source: modified from Posner & Raichle, Images of Mind
Principi di Risonanza Magnetica α α Impulso RF Osserv. FT β β
moto veloce CSF moto intermedio Materia grigia moto lento Materia bianca MRI
La Risonanza Magnetica per Immagini (MRI) e i Tumori
MRI e functional-mri (fmri) MRI studia l anatomia cerebrale. Functional-MRI (fmri) studia la funzione cerebrale.
Il Primo Esperimento di Brain Imaging e probabilmente anche il più economico! Angelo Mosso fisiologo Italiano (1846-1910) E = mc 2??? [In Mosso s experiments] the subject to be observed lay on a delicately balanced table which could tip downward either at the head or at the foot if the weight of either end were increased. The moment emotional or intellectual activity began in the subject, down went the balance at the head-end, in consequence of the redistribution of blood in his system. -- William James, Principles of Psychology (1890)
MRI vs. fmri alta risoluzione (1 mm) MRI fmri bassa risoluzione (~3 mm, ma sta migliorando) un immagine sola fmri Blood Oxygenation Level Dependent (BOLD) il segnale è una misura indiretta dell attività neuronale Tante immagini (e.g., ogni 2 sec per 5 min) attività neuronale ossigeno nel sangue segnale fmri
A Riposo Sotto Stimolo Effetto BOLD HbO 2 Hb arteria vena segnale segnale
Attivazione del Segnale fmri Stimolo visivo alternato: OFF (60 s) - ON (60 s) Attività cerebrale Fonte: Posner & Raichle, Images of Mind Tempo Fonte: Kwong et al., 1992 fmri
Mappatura dell Homunculus Motorio LINGUA LABBRO MANO GOMITO SPALLA ANCA GINOCCHIO CAVIGLIA
Generazione di Parole Giochi di Neuroeconomia Previsione di perdita Previsione di guadagno
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Riuscirà il cervello umano a comprendere il cervello umano