ITIS "GUIDO TASSINARI" Pozzuoli
Corso di formazione ammissione facoltà scientifiche
ALLA SCOPERTA DEL SISTEMA
NERVOSO – aspetti fisiologici e frontiere
Prof. Vincenzo Boccardi
Dirigente Scolastico I.C. "De Amicis - Diaz" - Pozzuoli
Responsabile Nazionale Olimpiadi delle Scienze Naturali
Il neurone
In molti neuroni l’assone è rivestito da alcune
cellule gliali particolari, le cellule di Schwann, che
si avvolgono attorno ad esso formando la
cosiddetta guaina mielinica. La loro membrana,
infatti, contiene la mielina, una sostanza simile ai
lipidi, dal colore biancastro, che serve da isolante
elettrico; è proprio la mielina che determina il
colore della sostanza bianca.
Potenziale
di riposo
L’interno di un
assone è ricco di
cariche negative,
mentre l’esterno è
carico
positivamente, tra i
due lati della
membrana di
separazione è
presente una
differenza di
potenziale di circa
-70 millivolt che
rappresenta
il potenziale di
riposo della
membrana, in
assenza di
stimolazione.
All’interno dell’assone si
registra un’elevata
concentrazione di ioni
potassio, K+ (circa 30 volte
maggiore che all’esterno)
mentre all’esterno vi è
un’elevata concentrazione
di ioni sodio, Na+ (circa 10
volte maggiore che
all’interno). In condizione di
potenziale di riposo gli ioni
Na+ determinano una carica
netta positiva all’esterno,
mentre l’interno risulta
negativo a causa di anioni
organici che, essendo di
dimensioni maggiori, non
sono in grado di
attraversare la membrana.
Potenziale d’azione
Quando l’assone è attraversato da un
impulso, si registra una brevissima
inversione di polarità della sua
membrana
(depolarizzazione:
l’interno diventa positivo e l’esterno
negativo e la differenza di potenziale
misurata è di circa +40 millivolt. Tale
inversione di polarità rappresenta il
cosiddetto potenziale d’azione, che
si propaga lungo tutta la membrana
dell’assone, costituendo
l’impulso nervoso
L’impulso nervoso viene
generato solo se l’intensità
di uno stimolo supera una
certa soglia. L’intensità dei
potenziali
d’azione
è
‘costante (legge del “tutto
o nulla”), ciò che varia è
la loro frequenza, cioè il
numero
di
potenziali
generati
nell’unità
di
tempo: più intenso è lo
stimolo, maggiore è la
frequenza.
Il meccanismo del potenziale d’azione
L’ apertura o chiusura dei canali a controllo di
potenziale è regolata dal potenziale di membrana.
Il meccanismo del potenziale d’azione
Quando si raggiunge una certa soglia, la
depolarizzazione determina l’apertura dei canali del
sodio (rapidi): il sodio entra determinando l’inversione
di polarità della membrana
Il meccanismo del potenziale d’azione
Dopo un breve istante (circa mezzo millisecondo) i
canali del sodio si richiudono e si aprono quelli del
potassio (lenti). Il potassio esce e la membrana si
ripolarizza.
La
pompa
sodiopotassio,
accoppia
attivamente
il
trasporto
verso
l’esterno di tre ioni
Na+ con il trasporto
verso l’interno di due
ioni K+ contribuendo
a
ristabilire
il
potenziale di riposo.
In
tal
modo
si
mantengono costanti
le
differenze
di
concentrazione di tali
due ioni che, poiché a
ogni ciclo subiscono
piccolissime variazioni, tenderebbero a
uguagliarsi sui due
lati della membrana.
Fibre amieliniche e mieliniche
II potenziale d’azione si propaga come un’onda di depolarizzazione lungo tutto l’assone, senza subire
alcuna riduzione di ampiezza per mezzo di una serie di correnti, dette correnti di circuito locale.
Nelle fibre nervose prive di guaina mielinica le
correnti di circuito locale sono estese lungo
tutto l’assone, per cui la conduzione
dell’impulso è molto lenta (circa 1-2 m/s).
Nelle fibre rivestite di guaina mielinica le correnti
attraversano solo i nodi, privi di rivestimento,
saltando da un nodo all’altro. Poiché la superficie
dei nodi è circa 1/1000 di quella della fibra, la
conduzione è molto più veloce (30-50 m/s),
consentendo risposte agli stimoli molto più rapide.
L’onda di depolarizzazione è unidirezionale: una volta che i canali del sodio si sono chiusi, possono
infatti riaprirsi solo dopo un certo intervallo di tempo (periodo refrattario). In questo modo nelle
regioni in cui si è generato un potenziale d’azione non se ne può manifestare un altro subito dopo.
Gli stimoli nervosi
passano da un neurone
all’altro
tramite particolari
giunzioni, le sinapsi.
In una sinapsi si
distinguono:
- una terminazione
presinaptica
(il terminale assonico
della cellula che
trasmette
l’impulso),
generalmente a forma
di bulbo,
-lo spazio
intersinaptico tra i due
neuroni
- la terminazione
postsinaptica, che
corrisponde al secondo
neurone
La sinapsi
Numerose sostanze
possono fungere da
neurotrasmettitori;
le principali sono
l’acetilcolina, la
noradrenalina,
la serotonina, la
dopamina e il GABA
(acido
gammaamminobutirrico).
Il legame neurotrasmettitore – recettore modifica il potenziale di membrana (potenziale
sinaptico): se l’interno diventa più negativo, la cellula risulterà meno eccitabile (effetto
inibitorio), se diventa meno negativo, la cellula sarà più facilmente eccitabile (effetto eccitatorio).
L’azione dei neurotrasmettitori dura solo un breve periodo; essi
vengono subito degradati e i loro prodotti riassorbiti dalla terminazione
dell’assone e riutilizzati.
Nella
trasmissione
sinaptica sono coinvolti
anche i neuromediatori,
che modulano la risposta
di una sinapsi al suo
neurotrasmettitore. Sono
stati identificati oltre 100
neuromediatori, tra i quali
le
endorfine,
che
funzionano
come
analgesici
naturali,
sopprimendo gli stimoli
dolorifici e determinando
uno stato di euforia. Molte
droghe, come l’eroina, la
morfina e altre sostanze
oppiacee,
agiscono
legandosi ai recettori delle
endorfine.
Tutte le immagini e i testi di questa prima parte ,quando non diversamente
indicato, sono tratti da: V. Boccardi, “Moduli di Biologia PER LA
RIFORMA – Volume B: Anatomia e fisiologia del corpo umano –
Ecologia”, pagine 280, La Scuola, 2011
Per contattare l’autore:
[email protected]
Sito:
www.vincenzoboccardi.
altervista.org
FRONTIERE
La scoperta delle funzioni della corteccia cerebrale
Lo scienziato viennese Franz Joseph Gall all'inizio
del XIX secolo fu il primo ad ipotizzare che le nostre
facoltà sono localizzate in regioni specifiche del
cervello basandosi su un approccio sperimentale
successivamente chiamato frenologia. Gall era
rimasto colpito dal fatto che i tratti intellettuali di certe
persone sembrassero trovare una corrispondenza
nella forma del loro cranio. Ad esempio, alcuni tra i
più intelligenti dei suoi amici avevano una fronte
particolarmente prominente. Egli aveva allora
immaginato che tale prominenza fosse dovuta al fatto
che l'intelligenza nel cervello fosse localizzata nella
regione frontale. Nonostante l’idea che la forma del
cranio possa in qualche modo essere indicatrice
delle caratteristiche di un individuo si sia in seguito
rivelata come priva di alcun fondamento, Gall ha dato
alle neuroscienze due contributi straordinari, che
esercitano ancora oggi una grande influenza sulla
ricerca attuale: è stato il primo ad affermare che i
processi mentali sono localizzati in aree diverse
del cervello e che l'azione mentale ha una base
biologica.
La scoperta delle funzioni della corteccia cerebrale:
noi parliamo con il nostro emisfero sinistro
1860:
un
grande
neurologo
francese, Paul Broca, studiò il
caso di un paziente con un insolito
difetto di linguaggio: comprendeva
perfettamente il linguaggio, ma era
incapace di articolarlo e non
riusciva a utilizzare il linguaggio per
esprimersi.
Quando
questo
paziente morì e fu sottoposto ad
autopsia, Broca scoprì che aveva
una lesione in una particolare area
del lobo frontale sinistro. Fu così
possibile enunciare uno dei principi
fondamentali delle neuroscienze:
la nostra capacita di esprimerci
in
modo
preciso
con
il
linguaggio è localizzata nel
cervello sinistro
La scoperta delle funzioni della corteccia cerebrale:
area motoria e area sensitiva
Successivamente molti studiosi cominciarono a stimolare elettricamente la superficie della
corteccia, scoprendo che, sollecitando regioni diverse della corteccia, si induceva il movimento
di parti diverse del corpo. Fu così possibile realizzare una rappresentazione completa di tutti i
muscoli del corpo sulla superficie del cervello, una vera e propria mappa sistematica del corpo
umano sul cervello, definendo l’area motoria e quella sensitiva. Questa scoperta avvenne
attorno al 1870, grazie soprattutto al lavoro di Fritsch e Hitzig.
La scoperta delle funzioni della corteccia cerebrale:
l’homunculus
La scoperta delle funzioni della corteccia cerebrale:
l’area di Wernicke
Qualche anno più tardi un neurologo tedesco, Karl Wernicke, compì una seconda scoperta
riguardante il linguaggio studiando un paziente che era in grado di esprimersi, ma non capiva.
Ciò che infatti costui diceva, anche se corretto dal punto di vista grammaticale, era però del tutto
privo di senso. Al momento dell'autopsia, Wernicke scopri che anche in questo caso la lesione si
trovava nell'emisfero sinistro.
Wernicke sviluppo anche una teoria
del linguaggio secondo cui la
corteccia occipitale è il luogo in cui
l'informazione visiva entra nel
cervello, mentre l'area temporale è il
luogo d'entrata dell'informazione
uditiva. Quando si sente qualcuno
parlare, o quando si legge qualcosa,
le informazioni entrano all'interno di
sistemi sensoriali specifici e quindi
sono portate nell'area di Wernicke,
dove sono tradotte in una sorta di
codice neurale del linguaggio.
Questo codice viene poi inviato
all'area di Broca, attraverso una via
nervosa nota come fascicolo
arcuato. Successivamente, nell'area
di Broca, le informazioni vengono
tradotte in linguaggio, che può poi
essere articolato e pronunciato.
Una funzione complessa come il linguaggio
controllata dalla combinazione di più regioni.
è
La scoperta delle funzioni della corteccia cerebrale:
l’emisfero destro
Poco dopo sono state fatte altre due scoperte interessanti:
- La prima è che esistono aree omologhe a quelle di Broca e di Wernicke
nell'emisfero destro;
- La seconda è che queste aree sono anch’esse implicate in aspetti del
linguaggio. Esse sono infatti specializzate nella espressione emozionale del
linguaggio.
Il cervello è, infatti, in grado di percepire le intonazioni emozionali, e le aree che
percepiscono tali intonazioni sono localizzate nel lato destro, in una regione
omologa all'area di Wernicke. Il loro ruolo è di elaborare la melodia del linguaggio,
un aspetto del linguaggio che utilizziamo per comunicare i nostri sentimenti, in
altre parole la componente emozionale del linguaggio. Analogamente l’area di
Broca di destra consente di parlare dando alle parole un certo contenuto
emozionale, una certa intonazione.
Due diversi tipi di memoria
Si distinguono due tipi di memoria: la memoria a breve termine consente di
immagazzinare conoscenze solo per un breve periodo (ad esempio un numero di
telefono appena ascoltato, che si ricorda solo per qualche minuto); la memoria a
lungo termine è stabile e spesso dura per tutta la vita (ad esempio la conoscenza
di una regola di grammatica).
Secondo
un
recente
modello,
l’informazione proveniente dalle varie
aree corticali sensitive sarebbe
trasmessa prima al sistema limbico,
poi al talamo e infine alla parte
basale del prosencefalo e alla
corteccia prefrontale, una parte del
lobo frontale, e viaggerebbe in senso
opposto mediante una serie di circuiti
paralleli. La più volte ripetuta
percorrenza di tale tragitto da parte
delle
informazioni
sarebbe
la
principale
responsabile
della
memoria a lungo termine.
Memoria esplicita e implicita
Memoria esplicita: richiede un recupero cosciente di una informazione (l’immagine
di un volto, il nome di una persona, di un oggetto o di un luogo particolare)
Memoria implicita: riguarda conoscenze completamente inconsce, come abilità
percettive o motorie (per esempio guidare uma macchina o suonare uno
strumento).
I due tipi di memoria utilizzano sistemi
cerebrali differenti:
- La memoria esplicita utilizza il
sistema medio temporale, al centro
del quale vi è l’ippocampo, una
componente del sistema limbico. Essa
consente di apprendere velocemente e
di acquisire i contenuti di un’esperienza
proprio
mentre
la
stiamo
sperimentando.
- La memoria implicita utilizza il
cervelletto e i diversi sistemi motosensoriali che sono reclutati di volta in
volta per compiti specifici. Essa
apprende molto gradualmente.
I neuroni specchio
I neuroni specchio sono neuroni localizzati nell'area di Broca e nella
corteccia parietale inferiore che si attivano sia quando si compie
un’azione, sia quando la si osserva mentre è compiuta da altri (in
particolare tra animali della stessa specie).
Sono stati scoperti verso la metà degli anni Novanta del secolo scorso da
Giacomo Rizzolatti e dai suoi colleghi del dipartimento di neuroscienze
dell'Università di Parma.
Il problema del libero arbitrio:
il cervello agisce prima della mente
Se decido di sollevare una mano il
nostro
cervello
comunica
l’intenzione ai neuroni responsabili
della
pianificazione
e
della
esecuzione dei movimenti della
mano (potenziale di prontezza
registrabile mediante EEG) che a
loro volta trasmettono i comandi
appropriati ai motoneuroni del
midollo spinale che contrarranno i
muscoli del braccio.
Ma l’inizio del potenziale di
prontezza precede la decisione
cosciente di eseguire il movimento
di almeno mezzo secondo.
Il cervello agisce prima che la
mente decida
I pazienti split brain
In una persona normale, le due metà del cervello
comunicano l’ una con l’ altra: se la parte destra
del cervello vede una mela, passa il messaggio
attraverso il corpo calloso fino all’ emisfero
sinistro, che può dare un nome a quella mela.
Senza tale collegamento l’ emisfero destro non
può passare il suo messaggio al sinistro, e i
pazienti sono incapaci di riconoscere gli stessi
oggetti se li vedono nella parte sinistra del loro
campo visuale (che si collega all’ emisfero
destro). E’ come se questi soggetti avessero
“due regni distinti di coscienza consapevole,
due sistemi di intuito, percezione, pensiero e
memoria”. In alcuni casi, infatti, la mano destra e
la mano sinistra, guidate dai due emisferi,
possono compiere azioni diverse se non
discordanti,
Condizione («cervello
diviso») che si realizza
negli individui in cui il
corpo calloso dei due
emisferi cerebrali è
stato reciso
Il prione: la mucca pazza
I prioni sono particolari proteine normalmente presenti sulla superficie di tutte le
cellule, ma maggiormente espresse nei neuroni, nei quali svolgono il ruolo di
coadiuvare la trasmissione dei segnali tra le cellule nervose.
L'alterazione dei prioni genera malattie note con il termine di encefalopatie
spongiformi trasmissibili (TSE), tra le quali è compresa la sindrome della
mucca pazza e l’encefalopatia ovina detta scrapie. Per anni il prione è stato
considerato erroneamente un virus, ma i prioni, a differenza dei virus, sono privi di
acidi nucleici.
Quando una proteina prionica
alterata (PrPSc) interagisce
con una proteina prionica
normale (PrPC), induce un
cambiamento strutturale nella
proteina normale che si
trasforma
anch’essa
in
alterata.
Quest’ultime
si
aggregano a formare lunghe
fibrille
che
gradualmente
danneggiano il tessuto nervoso
normale
alterata
Le droghe
Generalmente le droghe agiscono a livello delle sinapsi potenziando o
inibendo l’azione dei neurotrasmettitori o sostituendosi a essi.
La cocaina, ad esempio, agisce sulle sinapsi di
alcune
regioni
del
cervello
impedendo
l’eliminazione del neurotrasmettitore dopamina. Il
suo accumulo determina una continua stimolazione
dei neuroni responsabile del caratteristico senso di
euforia.
La nicotina svolge azione stimolante, favorendo la
liberazione di dopamina e generando una
sensazione di piacere con un meccanismo simile a
quello della cocaina.
Da un recente studio pubblicato sulla prestigiosa rivista “Proceedings of the
National Academy of Sciences” è emerso che forti consumatori di cannabis fin
dall'adolescenza hanno un calo del quoziente d'intelligenza di otto punti. Il principio
attivo della cannabis, il Delta-9-tetraidrocannabinolo, influisce infatti negativamente
sui processi di memoria. A essere colpiti non sono direttamente i neuroni, ma gli
astrociti, un tipo di cellule gliali che rappresenta la principale struttura di sostegno
dei neuroni.