LA BIOLOGIA
DELLA CELLULA
NERVOSA
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TRE SONO I PRINCIPI ( ELABORATI NELLA PRIMA META’ DEL XX
SECOLO) SU CUI OGGI SI BASA LA NOSTRA CONOSCENZA SULLA
ORGANIZZAZIONE FUNZIONALE DEL CERVELLO:
 LA DOTTRINA DEL NEURONE
 L’IPOTESI IONICA
 LA TEORIA CHIMICA DELLA
TRASMISSIONE SINAPTICA
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LA TEORIA DEL
NEURONE
AFFERMA CHE LA CELLULA
NERVOSA, O NEURONE, E’
L’UNITA’ BASE DEL CERVELLO
NONCHE’ L’ELEMENTO
FONDAMENTALE PER LA
TRASMISSIONE DEI SEGNALI AL
SUO INTERNO
SANTIAGO RAMON Y CAJAL
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L’IPOTESI
IONICA
DESCRIVE I
MECCANISMI
ATTRAVERSO I QUALI
LE CELLULE
GENERANO SEGNALI
ELETTRICI E LE
MODALITA’ CON CUI
QUESTI SEGNALI SI
PROPAGANO
ALL’INTERNO DELLE
CELLULE
HODGKIN
HUXLEY
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LA TEORIA CHIMICA DELLA TRASMISSIONE
SINAPTICA
DESCRIVE IL MODO CON CUI
COMUNICANO DUE CELLULE
NERVOSE: PER VIA CHIMICA,
GRAZIE A MOLECOLE
CHIAMATE
NEUROTRASMETTITORI CHE
SI LEGANO A DEI RECETTORI
KATZ
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IL NEURONE
6
IL NEURONE
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LA DOTTRINA DEL
NEURONE
IL NEURONE E’ L’ELEMENTO
STRUTTURALE E FUNZIONALE DI
BASE DEL CERVELLO. UN NEURONE
USA I PROPRI DENDRITI PER
RICEVERE SEGNALI DA ALTRE
CELLULE E IL PROPRIO ASSONE PER
INVIARE INFORMAZIONI
I TERMINALI DELL’ASSONE DI UN
NEURONE COMUNICANO CON I
DENDRITI DI UN ALTRO SOLO IN
SPECIALI ZONE CHIAMATE SINAPSI
OGNI NEURONE FORMA SINAPSI CON
ALCUNE DELLE CELLULE CHE
STANNO NEL SUO INTORNO
(PRINCIPIO DELLA SPECIFICITA’
DELLA CONNESSIONE) . ESISTONO
CIOE’ DEI CIRCUITI NEURONALI
ATTRAVERSO I QUALI SI MUOVE
L’INFORMAZIONE
I SEGNALI IN UN CIRCUITO
NEURONALE VIAGGIANO SOLTANTO
IN UNA DIREZIONE
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Neurone motorio
Interneurone
Neurone sensoriale
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LA CELLULA NERVOSA PARLA
IPOTESI
IONICA
BERNSTEIN, 1902
GALVANI, 1791
META’ XX SEC
EDGAR, ANNI 30
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•DAGLI STUDI DI GALVANI L’INTUIZIONE CHE LE CELLULE NERVOSE E MUSCOLARI
FOSSERO IN GRADO DI GENERARE UN FLUSSO DI CORRENTE ELETTRICA
• DAGLI STUDI DI HELMHOLTZ LA MISURA DELLA VOLOCITA’ ALLA QUALE SI TRASMETTE
L’IMPULSO ( 28 M/S ) E LA SCOPERTA DELLA MODALITA’ CON CUI SI TRASMETTE IL
SEGNALE ( SENZA DISSIPAZIONE DI ENERGIA )
L’ATTENZIONE DEGLI SCIENZIATI NEI SUCCESSIVI 100 ANNI FU FOCALIZZATA SULLE
SEGUENTI DOMANDE:
 COME SONO FATTI QUESTI SEGNALI?
 COME CODIFICANO L’INFORMAZIONE?
 COME PUO’ UN TESSUTO BIOLOGICO GENERARE SEGNALI
ELETTRICI?
 CHE COSA FORNISCE LA CORRENTE PER I SEGNALI?
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IL POTENZIALE DI
MEMBRANA
• I FLUIDI ALL’INTERNO E ALL’ESTERNO DELLA CELLULA SONO RICCHI DI IONI ( POSITIVI E
NEGATIVI: ES EXT Na+ E Cl-, INT K+ E PROTEINE CARICATE Θ
• NELLA MEMBRANA CELLULARE SONO PRESENTI CANALI IONICI CHE PERMETTONO AD
ALCUNI IONI IL PASSAGGIO DA UNA PARTE ALL’ALTRA DELLA MEMBRANA.
REGOLARMENTE SONO APERTI QUELLI DEL K+.
• IL K+ QUINDI TENDE A PASSARE DALL’INTERNO ALL’ESTERNO DELLA CELLULA LUNGO IL
GRADIENTE DI CONCENTRAZIONE. IL SUO PASSAGGIO ALL’ESTERNO DELLA CELLULA
LASCIA VICINO ALLA MEMBRANA INTERNA UNA PREVALENZA DI CARICHE NEGATIVE.
• GLI IONI K+ APPENA PASSATI ALL’ESTERNO SONO PERO’ A QUESTO PUNTO ATTRATTI
DALLE CARICHE NEGATIVE CHE SONO AFFACCIATE DALL’ALTRA PARTE DELLA
MEMBRANA. INVECE DI MUOVERSI LIBERAMENTE ALL’ESTERNO RIMANGONO COME
BLOCCATE NEI PRESSI DELLA MEMBRANA.
• LA MEMBRANA E’ QUINDI COSPARSA DI CARICHE POSITIVE SULLA PARTE CHE GUARDA
L’ESTERNO DELLA CELLULA, MENTRA LA PARTE INTERNA E’ COSPARSA DI CARICHE
NEGATIVE.
• QUESTA SITUAZIONE DETERMINA UNA DIFFERENZA DI
CHIAMATA POTENZIALE DI MEMBRANA A RIPOSO
POTENZIALE
COSTANTE,
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IL SEGNALE ELETTRICO NELLE CELLULE
NEURONALI
GLI STUDI FURONO COMPIUTI SU NEURONI SENSORIALI DELLA PELLE.
UN SEGNALE BEN PRECISO FU RILEVATO DAGLI STRUMENTI OGNI VOLTA CHE IL
NEURONE ERA STIMOLATO.
IL SEGNALE DURAVA 2/1000 DI S E AVEVA DUE
COMPONENTI.
OBBEDIVA AL PRINCIPIO “ TUTTO O NIENTE”.
 COME FA ALLORA UN NEURONE
SENSORIALE A REGISTRARE L’INTENSITA’
DI UNO STIMOLO?
 I NEURONI USANO SEGNALI DIFFERENTI
PER INFORMAZIONI RELATIVE A STIMOLI
DIFFERENTI ( UN SUONO, LA LUCE, IL
DOLORE)?
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L’INTENSITA’ DI UNO STIMOLO DIPENDE
DALLA
FREQUENZA
ALLA
QUALE
VENGONO EMESSI I POTENZIALI DI AZIONE.
NON CI SONO DIFFERENZE NEL
CODICE USATO DAI NEURONI PER
TRASPORTARE SEGNALI RELATIVI A
STIMOLI DIFFERENTI.
A FARE LA DIFFERENZA SONO
INVECE LE DIVERSE VIE NEURALI
PERCORSE DAL SEGNALE.
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L’IPOTESI IONICA
NELLA FIGURA QUI SOPRA LA
STRUTTURA
DELLA
MEMBRANA
PLASMATICA DI UN NEURONE
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1.
UNO
STIMOLO
DEPOLARIZZA
L’ASSONE
DEPOLARIZZANTE
LOCALMENTE
2.
SI APRONO I CANALI VOLTAGGIO
DIPENDENTI DEL Na+: IL MOVIMENTO
DELLO
IONE
VERSO
L’INTERNO
DEPOLARIZZA LA MEMBRANA. SI
GENERA UN POTENZIALE DI AZIONE.
3.
PARTE DELLA CORRENTE GENERATA
DAL POTENZIALE FLUISCE LUNGO
L’ASSONE
E
DEPOLARIZZA
LA
REGIONE ADIACENTE, IN CUI SI
APRONO I CANALI DEL Na+. SI RIPETE
QUANTO VISTO IN 2. IL POTENZIALE DI
AZIONE SI SPOSTA COSì LUNGO
L’ASSONE
4.
NELLA REGIONE DI PARTENZA IL K+
INTANTO MIGRA VERSO L’ESTERNO
SFRUTTANDO I SUOI CANALI.
5.
LA MEMBRANA SI RIPOLARIZZA
6.
LE POMPE Na+/K+ RISTABILISCONO LA
SITUAZIONE DI PARTENZA, PORTANDO
ALL’ESTERNO IL Na+ E ALL’INTERNO IL
K+.
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IN QUESTO MODO UN SEGNALE RELATIVO A UNA ESPERIENZA VISIVA, A UN
MOVIMENTO, A UN PENSIERO O A UN RICORDO VIENE INVIATO DA UNA ESTREMITA’
ALL’ALTRA DEL NEURONE.
PER LA LORO TEORIA , ELABORATA
A PARTIRE DA RICERCHE SUL
COMPORTAMENTO
DELL’ASSONE
GIGANTE
DEL
CALAMARO,
HODGKIN E HUXLEY CONDIVISERO
NEL 1963 IL NOBEL PER LA MEDICINA
IN SEGUITO HODGKIN
DISSE CHE IL PREMIO
SAREBBE DOVUTO
ANDARE AL CALAMARO…
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LA CONVERSAZIONE TRA CELLULE NERVOSE
FINO AGLI ANNI ’50 SI SCONTRANO DUE TEORIE RELATIVE ALLA QUESTIONE:
 I NEURONI PARLANO TRA LORO TRAMITE SEGNALI CHIMICI O
ELETTRICI?
E’ LA QUERELLE “ ZUPPA CONTRO SCINTILLA” NATA
DOPO GLI STUDI DI LOEWI ( ANNI ’20-30)
IL PRIMO
NEUROTRASMETTITORE
SCOPERTO: L’ACh
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IN ALTO
CIRCUITI NEURONALI IN
LARVA DI ZEBRA-FISH
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• IL
POTENZIALE
DI
AZIONE
PROVENIENTE DALL’ASSONE DEL
NEURONE PRESINAPTICO
ARRIVA
NELLA TERMINAZIONE SINAPTICA
•LE VESCICOLE SINPATICHE, PIENE DI
MOLECOLE DI NEUROTRAMETTITORE,
SI FONDONO CON LA MEMBRANA
PLASMATICA
•IL CONTENUTO DELLE VESCICOLE
VIENE LIBERATO NELLA FESSURA
SINAPTICA
•I NEUROTRASMETTITORI SI LEGANO
AI RECETTORI SULLA MEMBRANA DEL
NEURONE POSTSINAPTICO
•IL POTENZIALE DI MEMBRANA DEL
NEURONE POSTSINAPTICO VARIA
•SI INNESCA IL POTENZIALE D’AZIONE
NEL NEURONE POSTSINAPTICO
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A DESTRA: KATZ, ECCLES E KUFFLER
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I NEUROTRASMETTITORI
ECCITATORI
ACETILCOLINA:
presente nella
giunzione neuromuscolare. Viene
degradato da un enzima specifico e
non riassorbito.
Composti come il Sarin ( gas nervino )
inibiscono l’enzima: possono essere
letali
Attacco nella metropolitana di Tokyo,
1995)
GLUTAMMATO: è il neurotrasmettitore più importante per il “normale” funzionamento
dell’encefalo.
E’ responsabile della eccitotossicità: neuroni esposti a questo trasmettitore per tempi
eccessivi alla fine muoiono.
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I NEUROTRASMETTITORI INIBITORI
GABA: è con la glicina il principale neurotrasmettirore
inibitore.
Neurotossine che bloccano i recettori del GABA sono ad
esempio gli alcaloidi vegetali.
Farmaci che si comportano come il GABA ( azione
inibitoria ) sono i barbiturici e le benzodiapezine
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ALTRI TRASMETTITORI
DOPAMINA: HA RUOLO FONDAMENTALE NELLA COORDINAZIONE DEI MOVIMENTI
CORPOREI. SI PENSA SIA COINVOLTA NEGLI STATI DI MOTIVAZIONE, RICOMPENSA E
RINFORZO. MOLTE SOSTANZE DI ABUSO ADOPERANO I SUOI SITI.
NORADRENALINA: INFLUENZA GLI STATI DI SONNO E VEGLIA, ATTENZIONE E
COMPORTAMENTO ALIMENTARE
SEROTONINA: NEL SNC SVOLGE UN RUOLO IMPORTANTE NELLA REGOLAZIONE
DELL’UMORE, DEL SONNO, DELLA TEMPERATURA CORPOREA, DELLA SESSUALITA’ E
DELL’APPETITO. ANFETAMINE E MDMA NE INIBISCONO L’ASSORBIMENTO.
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TOSSINE CHE
 AVVELENANO CANALI IONICI
 INTERFERISCONO CON IL RILASCIO
DEI NEUROTRASMETTITORI
 AGISCONO SUI RECETTORI
POSTSNIPATICI
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LE TOSSINE PRODOTTE DAI SEGUENTI ORGANISMI AVVELENANO I
CANALI DEL Na+
OSTRUZIONE DEI CANALI –
PARALISI - 0,1 G LETALE PER
L’UOMO
PROLUNGAMENTO DEL
POTENZALE D’AZIONE - PARALISI
MODIFICAZIONE DELLE
MODALITA’ DI ATTIVAZIONE
DEI CANALI
CANALI DEL K+
BLOCCANO I CANALI
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LE TOSSINE PRODOTTE DAI SEGUENTI ORGANISMI INTERFERISCONO
CON IL RILASCIO DEI TRASMETTITORI
CLOSTRIDIUM BOTULINUM: 75 ng sono letali per un essere umano
INIBISCONO IL RILASCIO PER ESOCITOSI DEI NEUROTRASMETTITORI-PARALISI SINAPSI
NEUROMUSCOLARI PERIFERICHE
CLOSTRIDIUM TETANI: gli interneuroni colpiti dalla tossina
provocano contrazioni dei muscoli scheletrici
VEDOVA NERA: si liberano
vescicole sinaptiche in assenza di
segnale
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LE TOSSINE PRODOTTE DAI SEGUENTI ORGANISMI AGISCONO SUI RECETTORI
POSTSINAPTICI
BUNGARO A STRISCE: la tossina si lega
ai recettori ACh
ATROPA BELLADONNA: l’atropina
blocca i recettori muscarinici ACh
CHODODENDRUM TOMENTOSUM: la sua
tossina, il curaro, blocca i recettori nicotinici ACh
STRYCHNOS NUX-VOMICA: la stricnina
blocca i recettori per glicina, iperattività che
porta a convulsioni
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