“Esperto in processi innovativi di sintesi biomolecolare applicata a tecniche di epigenetica”
Materiale Didattico
Neurofisiopatologia
Prof. Marina Melone
immagine
Progetto di formazione BIAM EPI FORM
Parleremo di…
 Introduzione
Organizzazione del sistema nervoso (SN)
 Il cervello: principali strutture e funzioni
 Emisferi cerebrali e corteccia
 Lo sviluppo del SN e plasticità
Modulo MA-11
Neurofisiopatologia
prof.
f M
Marina
i Melone
M l
[email protected]
Principi di anatomia
funzionale, sviluppo,
plasticità del SN
Il tessuto
nervoso
Il flusso
fl
della
d ll memoria,
i cosìì come esso
si verifica nell’esperienza, è dovuto al
fatto che ogni pensiero ne ha, per sua
g in ordine
natura,, un altro che lo segue
regolare
Aristotele, 350 a.c.
The secret life of the brain
Pre-history
Th history
The
hi t
off
our quest to
understand
the brain is
y as
certainly
long as
human
history itself.
1950-2000
The Neural
Code
…. ma facciamo
f i
un passo indietro
i di
Dopo Galeno
D
G l
di Pergamo
P
(131 201) nell 1543 con la
(131-201),
l pubblicazione
bbli i
del
d l
De Corporis Humani Fabrica, Andrea Vesalio (Andreas van Wessel,
1514-1564)) diede nuova linfa alle scoperte
p
in campo
p anatomico creando
una buona base per la fisiologia.
Studiando animali e mammiferi, dimostrò come il cervello di varie
specie assomigli a quello dell
dell'uomo
uomo nelle strutture fondamentali,
fondamentali
mentre le variazioni di volume sono proporzionali alle capacità
intellettive.
Intanto prendevano piede le idee dualistiche di
René Descartes (1596-1650),
(1596 1650) che divideva
l'uomo in due res: una extensa ed una
cogitans.
La grandezza, la figura, il movimento, la
situazione, la durata, il numero (determinazioni
quantitative)) erano certamente qualità
q
q
reali che
appartengono alla res extensa; ma il colore, il
sapore, l'odore, il suono etc. non esistono nella
realtà corporea ed appartengono ad una res
cogitans.
Tra gli
T
li scienziati
i i i più
iù recenti,
i Theodor
Th d S
Schwann
h
(1810 1882) che
(1810-1882)
h
dimostrò che anche il cervello è composto da cellule, oppure i lavori
svolti da Bartolomeo Camillo Emilio Golgi
g ((1843-1926)) o da Santiago
g
Ramón y Cajal (1852-1934) grazie ai quali si ha oggi la concezione del
neurone come unità funzionale del sistema nervoso.
Richiami di neurofisiologia del sistema
nervoso
Il sistema nervoso consente
senza soluzione di continuità la
coordinazione funzionale e
ll’adattamento
adattamento grazie a rapidi
messaggi di tipo elettrico.
E’coadiuvato dall’apparato
endocrino
d i che
h ffornisce
i
stimoli
ti li
lenti e ciclici di tipo chimico.
L'asse ipotalamo-ipofisario
rappresenta la regione dove i due
sistemi, endocrino e nervoso, si
incontrano sia anatomicamente
incontrano,
che funzionalmente.
La fisiologia del SNC mostra come la complessa struttura che lo
caratterizza, sia collegata alle funzioni psichiche e comportamentali
dell'individuo. Appare chiaro
hi
che
h non è possibile svelare la natura del
pensiero unicamente grazie al pensiero stesso a causa delle
pproblematiche di natura relativistica per
p le quali
q
un osservatore cambia lo
stato del sistema osservato.
Ma le proprietà della specie dipendono
d ll selezione
dalla
l i
naturale
l per cuii sii puòò
dedurre che la mente umana si è sviluppata
in un momento p
preciso dell'evoluzione e
che il suo funzionamento ne è diretta
conseguenza. Lo stesso Charles Robert
Darwin (1809-1882) era giunto a queste
conclusioni, ritenendole il passo successivo
alla sua teoria, ma solo oggi, grazie alle
moderne
d
conoscenze è possibile
ibil affermarlo
ff
l
con sicurezza.
Teoria della selezione dei gruppi
(TSGN)
) Edelman
neuronali (
Edelman descrive il rapporto tra DNA e cervello dichiarando
che
h il primo
i
non puòò prevedere
d
la
l forma
f
finale
fi l del
d l secondo
d
(intesa come la precisa morfologia dei collegamenti neurali), può
solo gettare le basi generali che rispecchiano quelle comuni tra
specie e specie.
Lo sviluppo del cervello è un processo di natura statistica ed
estremamente dinamico.
dinamico I geni regolano la complicata anatomia
del cervello attraverso interazioni epigenetiche: affinché si
verichino gli eventi dello sviluppo, è necessario che in precedenza
sii siano
i
verificati
ifi ti altri
lt i eventi
ti specifici.
ifi i Alcune
Al
molecole
l l di
adesione regolano i collettivi di cellule e la loro migrazione, ma
non le singole cellule, una per una, secondo uno schema
prescritto e prestabilito. La migrazione e la morte delle cellule
sono eventi stocastici che hanno conseguenze imprevedibili
telencefalo
diencefalo
mesencefalo
rombencefalo
midollo spinale
Il telencefalo comprende la corteccia cerebrale, il sistema limbico e i gangli
della base. La corteccia cerebrale è suddivisa nei lobi frontali (movimento,
piani d’azione e recupero di tracce mnestiche deboli) come anche nei lobi
parietale, temporale ed occipitale (percezione e memoria).
Il sistema limbico
comprende la corteccia
limbica, l’ippocampo e
l’amigdala (emozione,
motivazione
ti i
e
apprendimento, memoria).
I gangli della base sono
strutture
t tt
sottocorticali
tt
ti li
(fluidità del movimento e
transizione tra diversi
piani
i i motori).
i) Ill
diencefalo è costituito dal
talamo e dall’ipotalamo.
Il mesencefalo forma parte del tronco encefalico assieme alle parti più caudali
che sono il ponte ed il midollo allungato.
Corteccia cerebrale
La corteccia cerebrale è
disomogenea e può essere
suddivisa in base alla sua
morfologia
f l i macroscopica
i e
microscopica.
Superficie mediale
A queste differenze morfologiche
fanno riscontro differenze
funzionali: alle varie suddivisioni
corticali è possibile riconoscere
una o più funzioni.
Superficie laterale
Vista laterale di cervello umano
attività
motoria
integrazione
teg a o e
cognizione,
emozioni, ecc.
percezione
apprendimento
e memoria
controllo
delle funzioni
vitali
attività
motoria
Piani di sezione riferiti al SNC
umano
Lateral and medial view of the brain surfaces.
Coronal view of skull,
g , and brain
meninges,
demonstrating
anatomic relations.
Meninges of the Brain
Posterior and anterior views of
the cerebellar surface and an
axial slice through the midcerebellum. The brain stem has
been removed for the anterior
view
i off the
th cerebellum.
b ll
The
Th
ventral surface of the axial slice
is pointed upward.
Axial slices through the midbrain, pons, and medulla. MLF,
Medial longitudinal fasciculus.
Cross sections of the cervical, thoracic, and lumbar spinal cord. FC,
Fasciculus cuneatus; FG, fasciculus gracilis; IML, intermediolateral cell
column.
Sistema Nervoso
periferico
sensoriale
motorio
autonomo
simpatico
centrale
somatico
parasimpatico
Sistema nervoso centrale
Classificazione funzionale del Sistema Nervoso Periferico
2 componenti principali
Fibre Afferenti
Portano i segnali
dalla periferia al centro
Le Fibre Afferenti,
hanno funzione sensitiva e provengono
d organii iinterni
da
t i ((viscerali)
i
li)
da muscoli e cute (somatiche)
Fibre Efferenti
Portano i segnali
dal centro alla periferia
Le fibre Efferenti
hanno funzione motrice
motrice,
a seconda dell’organo che controllano costituiscono
il sistema volontario o somatico (muscoli scheletrici)
il sistema involontario o viscerale
(muscolatura liscia, cuore, ghiandole)
Suddivisione anatomica generale
• Sistema nervoso centrale (SNC)
– Encefalo
(racchiuso nella cavità
cavità cranica)
– Midollo
Mid ll spinale
i l
(racchiuso nel canale vertebrale)
• Sistema
Si t
nervoso periferico
if i (SNP)
– Tutto il tessuto nervoso al di fuori
del SNC (nervi
(nervi e gangli nervosi)
Tessuto nervoso
• Concentrato per il 98% nel SNC
• Contiene due tipi di cellule:
– Neuroni
– Neuroglia
• E’ provvisto di vascolarizzazione
Corteccia cerebrale di mammifero al microscopio
(metodo di colorazione istologica di Nissl)
ciascuna aerea colorata
rappresenta la parte
principale di una
cellula (corpo o soma);
100 µm
questa tecnica consente di apprezzare la
distribuzione delle cellule nell
nell’ambito
ambito
del tessuto (citoarchitettura), ma non
rivela la vera morfologia dei neuroni;
in particolare, cosa c’è nelle parti
“bianche” di quest’immagine?
un singolo neurone al microscopio
((colorazione istologica
g
di Golgi)
g)
per motivi tuttora sconosciuti, il
metodo di Golgi “riempie” di
colorante nero solo alcune cellule,
in modo apparentemente casuale;
tali cellule spiccano nettamente
rispetto allo sfondo omogeneo di
cellule non colorate
neuropilo
• dunque,
dunque le porzioni di tessuto che
appaiono non colorate dalla tecnica
di Nissl sono in realtà occupate da
intricate espansioni o prolungamenti
citoplasmatici come dimostra la
citoplasmatici,
colorazione di Golgi
• esistono due tipi diversi di
prolungamento…
corpo cellulare
dendriti
Dal greco
greco déndron = 'albero'
assone
mentre il numero di
dendriti è variabile, tutti
i neuroni possiedono un
singolo assone
istologicamente, il decorso
istologicamente
dell’assone è più difficile da
seguire rispetto ai dendriti
schema di un
neurone
realizzato con la
camera lucida
lucida”
“camera
iin questo
t disegno
di
è visibile
i ibil solo
l il
moncone prossimale dell’assone,
che può percorrere distanze
notevolissime prima di dare
origine a ramificazioni terminali
morfologia delle cellule nervose
prolungamenti sezionati
ganglio periferico
trasversalmente
voluminoso soma
neuronale con grande
nucleo chiaro e denso
nucleolo
• Multipolari
Classificazione dei neuroni
in base al numero di
prolungamenti
–i p
più comuni
più
• Pseudounipolari
– gangli sensitivi
• Bipolari
– retina
– ganglio
vestibolare
– mucosa
olfattiva
olfattiv
a
• Unipolari
– molto rari
schema delle parti fondamentali del neurone
arborizzazione
b i
i
terminale
d d it
dendrite
soma o corpo
cellulare
guaina
mielinica
i li i
nucleo con
nucleolo
assone o
neurite
nero: soma e dendriti;
rosso: assone e terminazioni
corpo cellulare o soma
e dendriti
Corpo cellulare o soma
• Morfologia variabile:
– Stellata ((motoneuroni))
– Piramidale (corteccia cerebrale)
– Piriforme (c. di Purkinje del cervelletto)
– Sferica (gangli sensitivi)
• Nucleo:
– Voluminoso,
V l
i
sferico
f i od
d ovoidale,
id l centrale
l
– chiaro (vuoto, vescicoloso), corrispondente al
predominio di eucromatina (elevata attività
attività
genetica)
– Nucleolo unico, voluminoso ed intensamente
basofilo
b
fil ((elevata
l
t attività
attivit
tti ità
ità di sintesi
i t i proteica)
t i )
Citoscheletro e zolle di Nissl
Impregnazione
argentica
ti
Coloranti basici
Soma: componenti citoplasmatiche
• Mitocondri numerosi
(anche nei prolungamenti)
• Golgi spesso di estensione considerevole
• Sostanza di Nissl: zolle basofile che si
estendono
t d
aii d
dendriti
d iti ((ma non all’assone)
ll’
)
reticolo endoplasmatico rugoso
• Ribosomi
Rib
i numerosissimi
i i i
• Neurotubuli e neurofibrille
(aggregati di neurofilamenti di 10 nm)
• Centrioli quasi sempre presenti
(nonostante ll’assenza
assenza di mitosi)
Dendriti
• In genere multipli
• Emergono da vari punti del
corpo cellulare
• Relativamente pi
più
ù brevi
dell’assone
• Si ramificano ripetutamente
rimanendo nelle vicinanze del
soma
• Contorno irregolare, spesso
ricoperto di spine o gemmule
• Contengono tutti gli organuli
(tranne il Golgi) 
• Funzionalmente e
morfologicamente espansioni
del soma
assone
Ultrastruttura dell’assone
assone in sezione longitudinale
Assone
• Presente in tutti i neuroni
• Di solito unico
• Origina da una protrusione del soma detta
cono di emergenza
• In genere pi
più
ù lungo e regolare dei dendriti
• Di solito non emette rami collaterali in
vicinanza
i i
d
dell soma…
• … ma si divide ripetutamente nel cosiddetto
territorio di innervazione
• presenta un citoplasma (assoplasma)
contenente strutture citoscheletriche
altamente specializzate
Dendriti

• Abbondanti ribosomi,
reticolo endoplasmico
• Superficie
punteggiata
p
gg
da
“spine”
• Pi
Più
ù corti e ramificati
nei pressi del soma

Assone
• Assenza di
componenti associate
a sintesi proteica
• Abbondanti
mitocondri
p
strutture
• Speciali
citoscheletriche
• Superficie avvolta da
guaina mielinica
sostanza grigia e sostanza bianca
nella sostanza grigia sono
concentrati i corpi
p cellulari,,
le arborizzazioni dendritiche
e i terminali degli assoni
neuroni piramidali della corteccia
la sostanza bianca è essenzialmente
costituita da fasci di assoni
marcatura da tracciante retrogrado
Classificazione dei neuroni
in base al comportamento dell
dell’assone:
assone:
• Neuroni di
di proiezione (tipo I di
d Golgi)
Golgi
l )
– Assone di lunghezza considerevole:
– grigia  bianca
b

– grigia  nervo 
• Intern
I
Interneuroni
euronii (tipo
i
II di G
Golgi
Golgi)
l i)
i)
– Assone pi
più
ù breve, non entra nella
bianca,
bianca non entra in un nervo
– Si ramifica ripetutamente nell’ambito
della sostanza grigia
Classificazione dei neuroni
in base al comportamento dell
dell’assone:
assone:
• Neuroni del
d l I tipo d
di Golgi
l
– Assone di lunghezza considerevole:
– grigia  bianca
b

– grigia  nervo 
• Neuroni
N
id
dell II tipo
i
di G
Golgi
l i
– Assone pi
più
ù breve, non entra nella
bianca,
bianca non entra in un nervo
– Si ramifica ripetutamente nell’ambito
della sostanza grigia
nervo mielinizzato
fibre
mielinizzate
Guaine di rivestimento dell’assone
• Fibra nervosa:
ll’insieme
insieme dell
dell’assone
assone e dei suoi involucri
di origine ectodermica
Origine della mielina 1
Nel SNP, la
guaina mielinica
è formata dalle
cellule gliali di
Schwann
Origine della mielina 2
Multipli
p
avvolgimenti
concentrici di
plasmalemma
intorno all’assone
Origine della mielina 3
Espulsione
progressiva di
citoplasma;
lo stretto
accollamento di
membrane spiega
la rifrangenza
“bianca” della
mielina
• Segmenti “internodali” di 500
500--1000 µm
interrotti dai nodi di Ranvier
• Il tutto circondato da membrana basale:
– Lamina basale (interna) glicoproteica
– Lamina reticolare di Key e Retzius
Nodo di
Ranvier
nervo mielinizzato
Mielina nel SNC
• SNP: Schwann
Schwann--mielina
• SNC: oligodendroglia
oligodendroglia--mielina
Sostanza grigia (scarsamente mielinizzata)
Mielina nel SNC
Sostanza bianca (mielinizzata)
Fibre mieliniche e amieliniche
• Spessore della guaina in relazione a tipo
e calibro
lib d
della
ll fib
fibra nervosa:
• Motoneuroni:
– Assone spesso  guaina spessa
• N. della sensibilità
sensibilità tattile:
– Assone medio  guaina di medio spess.
• N. della sensibilità
sensibilità dolorifica:
– Assone sottile  guaina sottile
• Fibre dei nervi olfattivi
– amieliniche
Significato funzionale
della mielina
• Isolamento elettrico
• Aumento della velocit
velocità
à di
conduzione dell’impulso
dell impulso
(teoria della conduzione saltatoria)
• Regolazione degli scambi
metabolici
• Ruolo della cellula di Schwann
nella rigenerazione delle fibre
Degenerazione e rigenerazione
• All’inizio della vita postnatale, i neuroni
perdono rapidamente e definitivamente
la capacità
capacità di replicarsi
(popolazioni cellulari statiche o perenni)
• Il tessuto nervoso pertanto non è in
grado di rigenerare
g
g
neuroni in seguito
g
a
lesioni gravi del corpo cellulare
• In seguito alla lesione di un assone,
invece, il soma è in grado di rigenerare
il moncone periferico (grazie al flusso
assoplasmatico)
l
ti )
Lesione (taglio o schiacciamento) dell’assone
D
Degenerazione
i
Walleriana:
W ll i
completa degenerazione del moncone
distale di assone e della guaina mielinica
Altre conseguenze
• degenerazione transinaptica o
transneuronale
– …che non si arresta alla sinapsi ma
si estende al neurone successivo
• degenerazione retrograda
((anche la p
porzione p
prossimale del
neurone danneggiato rivela segni di
lesione)
– Cromatolisi:
C
li i
dissoluzione della sostanza di Nissl
– Frammentazione
F ammenta ione del Golgi
Rigenerazione 1
• Le cellule di Schwann iniziano a formare un
per dirigere
g
la rigenerazione
g
“tubo” cellulare p
• I macrofagi fagocitano i detriti
Rigenerazione 2
• L’assone
L assone emette “gemme”
gemme che si allungano
distalmente
• L’accrescimento
L accrescimento dei prolungamenti è guidato
dal “tubo” o “cordone” formato dalla rete di
cellule di Schwann
Rigenerazione 3
• I prolungamenti si allungano verso il bersaglio
periferico crescendo di circa 33-4 mm al giorno
• Il ristabilimento della funzione può
può avvenire
anche dopo mesi e si possono verificare errori
nelle riconnessioni
Neuroni e neuroglia
neuroglia:: riepilogo
• neuroni
– specializzati nella conduzione di impulsi
elettrici che:
• trasportano informazioni
d una regione
da
i
d
dell corpo all’altra
ll’ lt
• integrano ed elaborano tali informazioni
• cellule gliali
– cellule “non nervose” che forniscono
• sostegno strutturale
• mezzo interno per gli scambi nutritivi e gassosi
• attivit
attività
à di riparazione di lesioni
• funzione di “isolamento” elettrico
• forse partecipano alla conduzione nervosa?
CELLULE di NEVROGLIA

astrociti
t
iti

oligodendrociti

cellule di Schwann

microglia

Ependima

cellule satelliti
Astro
ocita prrotoplasm.
Astrocita
a fibroso
Oligod
dendro
oglia
M
Microg
lia
Tipi di cellule gliali
ASTROCITI
S
Sostegno
t
meccanico e
rivestimento
astrocita
protoplasmatico
astrocita
fibroso
 Sostegno trofico
e barriera ematoencefalica
 Cicatrici gliali
 Modulazione
sinapsi
OLIGODENDROCITI
 formano la guaina mielinica
CELLULE DI SCHWANN

costituiscono la guaina di Schwann
MICROGLIA

derivano dai monociti
CELLULE
SATELLITI

si dispongono
intorno ai corpi
cellulari dei
neuroni gangliari
EPENDIMA
 Tappezza la cavità interna del SNC
Sviluppo del sistema nervoso
Electronmicrograph of germ layers.
http://www.med.unc.edu/embryo_images/unit-bdyfm/bdyfm_htms/bdyfm004.htm
Preformazione
Cristoforo Savolini, Morte di Seneca.
• Il filosofo
romano Seneca
proponeva 2000
anni orsono
l’idea
l’
idea della
preformazione
• ……..suggeriva
che gli embrioni
umani erano
persone in
miniatura e che
lo sviluppo
pp
significava che si
diventava
semplicemente
più grandi
Embrione
Bimbo
Adulto
• La Preformazione pperse di credibilità qquando ggli
anatomisti del 19° secolo notarono che gli embrioni non
rassomigliano ai loro genitori
• Gli E
Embrioni
b i i di diff
differenti
ti specie
i rassomigliano
i li
l’uno
l’
all’altro
• Presa come evidenza per
la teoria dell’evoluzione di Darwin….
Dimensione e forma del cervello dell’uomo come si
sviluppa durante la gestazione e la prima infanzia
il tempo regola lo sviluppo spaziale
Lo sviluppo
pp del
sistema nervoso
contiene tutte le
informazioni utili
a capire l’unicità
ed irripetibilità
d l cervello
del
ll
umano.
Le controverse
teorie definite
“protomap” e
“protocortex”
protocortex
Taglia
• La modifica più ovvia
nel corso dello
sviluppo è nella taglia
- encefalizzazione
• Ma nota:
• Le modifiche più
importanti sono
nell’organizzazione e
nell’interconnettività
PRINCIPALI TAPPE DELLO SVILUPPO CEREBRALE
Protratto periodo di organogenesi
(d l concepimento
(dal
i
t aii primi
i i annii di vita
it postnatale)
t t l )
-comparsa della placca neurale (15-17 giorni dal concepimento)
-formazione del tubo neurale (26° giorno)
-proliferazione cellulare e migrazione dal lume del tubo neurale
verso le sedi definitive
primo abbozzo degli emisferi cerebrali (fine del 1°
1 mese)
-primo
-comparsa della struttura cellulare stratificata della corteccia (2° mese)
-fine della fase proliferativa (5°/6° mese)
-differenziazione dei neuroni (crescita dei prolungamenti dendritici e
assonali)
li)
-sinaptogenesi
-eliminazione delle sinapsi soprannumerarie (morte cellulare programmata)
-mielinizzazione
Otto fasi dello sviluppo fetale ed embrionale a
livello cellulare
1. Mitosi/Proliferazione
2. Migrazione
3 Differenziazione
3.
4. Aggregazione
5. Sinaptogenesi (terzo trimestre)
6 Morte neuronale
6.
7. Riorganizzazione sinaptica
8. Mielinizzazione
Il sistema nervoso comincia con il processo di Neurulazione
A 2 settimane dal concepimento, una porzione
dell’ectoderma comincia a ripiegarsi su se
stesso e a formare un cilindro chiamato TUBO
NEURALE
Tubo Neurale
Tubo quasi
chiuso
q
Si organizza in una serie di curve
e convoluzioni
convoluzioni. Dopo circa 5 settimane
dal concepimento queste curve possono
essere identificate come le principali
componenti del cervello dei mammiferi
5. Sinaptogenesi
Gli assoni si
connettono ad
altri neuroni
attraverso le
sinapsi
6. Morte neuronale programmata
•Tra il 40 e il 75 %
dei neuroni
differenziati non
sopravvivono.
•Falliscono la
connessione
p
sinaptica.
Le cellule bersaglio
g rilasciano dei
segnali chimici che creano un
gradiente. I dendriti si orientano e
seguono questo gradiente.
5. Sinaptogenesi:
Attrazione verso le cellule
bersaglio
Programmed Cell Death
1 sculpting structures
1.
2 deleting
d l ti unneeded
d d structures
t
t
2.
3. controlling cell numbers
4. eliminating non-functional or
harmful cells
Apoptosis may occur at
any stage of neural development
Lack of apoptosis promotes abnormal brain formation
Why do neurons live or die?
Viktor Hamburger,
g , 1920s
Expt:
Look at the effect of removing or adding a limb on motor neuron
survival in the spinal cord of the Xenopus frog
R
Result:
lt Addi
Adding a lilimb
b iincreases neuronall survival,
i l while
hil removing
i one reduces
d
itit.
Model: The target is making something in limited quantities that promotes
cell survival.
2
Possible functions of apoptosis in the development of nervous system
 System matching
 Error correction and guidance
 Transient function
 Removal of cells that appear to have no function or of an inappropriate
phenotype or are harmful
 Pattern formation and morphogenesis: hindbrain formation
 Provide a means of evolutionary change
7. Riarrangiamento sinaptico
•Le sinapsi inattive
catturano in quantità
pp scarse i fattori
troppo
trofici per rimanere stabili
•Le sinapsi attive
probabilmente prendono il
fattore neurotrofico che
mantiene la sinapsi
8. Mielinizzazione
Mielinizzazione dura fino all’età adulta
Fattori che regolano l’ontogenesi del
sistema
s
s e a nervoso
e oso
• Genetici:
espressione sequenziale di
geni che determinano il destino del singolo
neurone (assemblaggio)
• Epigenetici: regolano le connessioni tra
neuroni, ossia sinaptogenesi e morte
programmata (p.e. fattori neurotrofici e
ormoni)
• Ambientali: stimoli sensoriali
(visivi, acustici, olfattivi, ecc.) che
conducono alla progressiva
specializzazione di aree e strutture
cerebrali ma anche xenobiotici
Geni candidati
A. NEURONAL DEVELOPMENT
C. BRAIN INVOLVEMENT
Chromosome 2
CAMP-GEFII
Chromosome 2
CHN1
HOXD1
Chromosome 7
NCAM
RELN
VGF
LAMB1
LRNN1
PTPRZ1
WNT2 & WNT16
cAMP-regulated guanine nucleotide
exchange factor
Homeo box D1
Neuronal cell adhesion molecule
Reelin
Nerve growth factor inducible
Laminin beta-1 chain precursor
Leucine-rich repeat protein, neuronal 1
Protein tyrosine phosphatase receptortype Z, polypeptide 1
Wingless-type MMTV integration site
family members 2 and 16
GAD1
Chromosome 7
CHRM2
COPG2
SRPK2
SYPL
GRM8
KCND2
B TRANSCRIPTION FACTORS
B.
Chromosome 16
A2BP1
ABAT
Chromosome 2
ATF2
Activating transcription factor 2
CREBBP
GRIN2A
DLX1 & DLX2
NEUROD1
Distal-less homeobox genes 1 & 2
Neurogenic
g
differentiation 1
KIAA1243
TBR1
Chromosome 7
CUTL1
DLX5 & DLX6
FOXP2
Chromosome 16
TBX6
UBN1
T-box, brain, 1
Chromosome 2
FRZB
CED-6
Chromosome 7
CPA1 & CPA5
MEST
Chromosome 16
BFAR
EMP2
SSTR5
Cut-like 1
Distal-less homeobox genes 5 & 6
Forkhead box P2
T-box 6
Ubinuclein 1
Chimerin 1
Glutamate decarboxylase 1 (brain, 67kDa)
Cholinergic receptor, muscarinic 2
Coatamer protein complex, subunit gamma 2
Serine/Arginine rich protein kinase 2
Synaptophysin-like protein
Glutamate receptor, metabotropic 8
Potassium voltage-gated channel, Shalrelated subfamily, member 2
Ataxin 2-binding protein
4-Aminobutyrate
4
Aminobutyrate aminotransferase
CREB binding protein
Glutamate receptor, ionotropic, N-methyl Daspartate 2A
KIAA1243 protein
D. HOUSEKEEPING
Frizzled-related protein
CED-6 protein
Carboxypeptidase
yp p
isoform 1 & 5
Mesoderm specific transcript homolog
Bifunctional apoptosis regulator
Epithelial membrane protein 2
Somatostatin receptor 5
Reelin
Ruolo fondamentale nella regolazione della migrazione di diversi tipi di neuroni durante
lo sviluppo del cervello. Espressa anche nel cervello adulto, dove puo’ avere un ruolo
nella plasticità sinaptica
Topi reeler (reln-/reln-):
sintomi neurologici (atassia, tremore) e
alterazioni citoarchitettoniche in diverse
aree del cervello (corteccia, ippocampo e
cervelletto) simili a quelle descritti in
studi
di post-mortem di iindiv.
di autistici
i i i
Topi eterozigoti reeler (reln-/+): deficit in
alcuni test comportamentali; ridotta
densità spine dendridiche
dendridiche, deficit di
GAD67, riduzione post-natale del num di
cell Purkinje solo nei maschi
Nell’uomo:
Nell
uomo: mutazioni recessive causano
lissencefalia
Reelin
5’UTR
3’UTR
AAAAAA
(GGC)n
F-spondin-like
Ex25
I
II
Ex35 Ex44
III
IV
V
mRNA
Ex51
VI
VII
VIII
charged C-terminus
protein
Reelin domain
IMGSAC families (Bonora et al,
al Mol Psych 2003)
Ex 25 N1159K
Ex 35 V1762I
Ex 35 V1762I
Ex 44 R2290H
Trinucleotide (GGC): trasmissione preferenziale degli alleli ‘lunghi’
(Persico et al, 2001)
Ex 51 T2718A
Sviluppo delle connessioni tra neuroni nella corteccia cerebrale
1 mese
3 mesi
2 anni
Fattori neurotrofici come “direttori d’orchestra”
Demonstration that
different classes of
sensory
y neurons
require different
trophic factors for
survivial
high affinity
catalytic
receptor for the
neurotrophin,
Nerve Growth
Factor
neurotrophic tyrosine kinase receptor (NTKR) family
Nobel 1986: Rita Levi-Montalcini and Stanley Cohen
Identification of nerve growth factor (NGF)
Experiment :Transplant mouse sarcoma
t
li b b
d
tumors
near limb
bud.
Result: More neurons in the dorsal root ganglia
g g
survive.
What makes neurons survive?
They isolated the factor and called it nerve
growth
th factor
f t (NGF).
(NGF)
3
IDENTIFICATION OF CRITICAL RESIDUES WITHIN THE
CONSERVED AND SPECIFICITY PATCHES OF NERVE GROWTH
FACTOR LEADING TO SURVIVAL OR DIFFERENTIATION
Structural location of key residues to make NGF/SS-1. The dimer of NGF is shown with
each subunit colored separately in cyan and magenta. Residues F7, H84, and R103 are
highlighted in yellow, as indicated. Rendered in Cn3D (NCBI).
Mahapatra S, Mehta H, Woo SB, Neet KE, J Biol Chem. 2009 Sep 17
How Nerve Growth Factor was
isolated
1. Develop an assay: cultured Dorsal Root Ganglia in a dish. Added
tumor extract, neuron outgrowth is dramatically enhanced
2.
2 Identify
Id tif a rich
i h source off NGF:
NGF purified
ifi d NGF ffrom snake
k venom
4
Neurotrofine: Polipeptidi che stimolano la crescita e il
differenziamento di specifiche popolazioni neuronali
Effetti del fattore di crescita neuronale
(nerve growth factor, NGF)
A
B
Un ganglio spinale cresciuto in assenza (A) o presenza (B) di NGF. In B, è possibile
osservare una rilevante proliferazione di processi neuritici.
Levi-Montalcini (1964) Prog Brain Res
Does NGF really promote cell survival?
DRG +
Sympathetic
Neurons
They DIE
+ NGF
They SURVIVE
venom + NGF Ab
They DIE
 NGF is the trophic factor that promotes cell survival
 NGF is made by the target neuron
5
The Neurotrophic Hypothesis:
neurons compete for limiting amounts of a neurotrophin
some neurons survive
survive, other neurons die
A
Neurons
approach
target
Neurons
approach
target
B
Degenerating
neuron
Degenerating neuron
Target source of
Target
source of
NGF
neurotrophic
factor
Limited supply of
Limited
supplyfactor
of NGF
neurotrophic
La morte cellulare
• In altre parole - Use it or lose it!
• Le Cellule che non sono stimolate
da inputs possono morire
La morte cellulare
• Durante
D ante il periodo
pe iodo del riarrangiamento
ia angiamento sinaptico,
sinaptico i
neuroni che non si proiettano su un target vitale
vanno incontro a morte cellulare!
• P.e., Hamburger (1950
1950)) mostrava che la rimozione
di una zampa in un uccello in via di sviluppo si
accompagnava a mancata formazione di muscoli per
i motoneuroni in via di sviluppo che si proiettavano
su di essi e ciò risultava in una sostanziale morte
cellulare
• Sembra che i neuroni
richiedano, per
sopravvivere, fattori di
crescita dai loro targets
VULNERABILITA’ del SNC alle INFLUENZE AMBIENTALI
Organogenesi protratta
(dal concepimento ai primi anni di vita postnatale)
Gli ormoni
sono
importanti regolatori
regolatori dello
Gli ormoni
sono
importanti
dellosviluppo
sviluppo
cerebrale
periodo fetale
p
fetale eepostnatale
ppostnatale
cerebrale
nelnelperiodo
Gli ormoni sono importanti regolatori dello sviluppo
cerebrale nel periodo fetale e postnatale
controllano la proliferazione gliale e neuronale
regolano la migrazione dei neuroni
modulano la sinaptogenesi e i processi più tardivi di mielinizzazione
Disponibilità di ormoni tiroidei durante lo
sviluppo prenatale/neonatale
in relazione alla maturazione del SNC
Conception 12wks Birth
Maternal TH
F t l/
Fetal/neonatal
t l TH
Cerebral neurogenesis, migration
Cerebral neurogenesis
Neuronal differentiation,
synaptogenesis
Gliogenesis
Myelinogenesis
2yrs
FATTORI AMBIENTALI: Lo
sviluppo in ambienti arricchiti
induce modificazioni morfologiche
permanenti nella corteccia del
ratto
La Teoria della Selezione dei Gruppi Neuronali (TSGN)
[Edelman G.]
• I tre cardini su cui si
fonda l’impianto
l impianto teorico
che spiega l’origine di
quella inestricabile
organizzazione
g
microscopica
dell’encefalo che fa di
ogni essere umano una
persona unica e
irripetibile,
corrispondono a tre
grandi processi che
hanno luogo in tutti i
sistemi nervosi
complessi
p
e,, in special
p
modo, in quello dei
mammiferi
Selezione in fase di sviluppo:
Concetto di repertorio
p
p
primario
I processi dinamici di sviluppo portano alla
formazione delle caratteristiche neuroanatomiche di
una data specie. La variabilità dei livelli e delle
ramificazioni più sottili tra individui della stessa specie è
conseguenza degli effetti delle proteine di regolazione
dell'adesione cellulare (CAM) e del substrato (SAM),
dell'atti ità di segnalazione
dell'attività
segnala ione del fattore di crescita e della
morte selettiva delle cellule. Questo produce reti
anatomiche diverse da individuo a individuo che
compongono il repertorio primario. Il codice
genetico fornisce una serie di vincoli al processo di
selezione.
Selezione esperienziale
Nel corso delle esperienze comportamentali
comportamentali, specifici
processi biochimici rafforzano o indeboliscono le
connessioni sinaptiche.
Questo processo selettivo, che è alla base della
memoria, ritaglia dalla rete anatomica una varietà
di circuiti attivi, chiamato repertorio secondario.
I repertori primari e secondari conducono alla
f
formazione
i
di mappe collegate
ll t da
d connessioni
i ia
parallelismo massiccio e operante nei due sensi.
Il rientro
Ogni mappa è distinta funzionalmente dalle altre (per esempio
nel sistema visivo esiste una mappa per l'orientamento, per il
colore, per la posizione) così che, quando vengono selezionati
alcuni gruppi di neuroni di una mappa
mappa, possono essere
selezionati contemporaneamente altri gruppi di neuroni
appartenenti ad altre mappe connesse alla prima attraverso il
meccanismo del rientro.
In questo modo si ha la correlazione e il coordinamento di
questi eventi di selezione
selezione. Questo principio è forse ll'ipotesi
ipotesi più
importante nella teoria in quanto sta alla base del modo in cui le
g
nel corso dell'evoluzione si
aree cerebrali che emergono
coordinano tra loro per dare luogo a nuove funzioni.
L'interazione con l'ambiente è effettuata da recettori esterni
che comunicano con il cervello ed esso dà origine a mappe che
adattano in modo automatico i propri confini al variare dei
segnali.
Il cervello contiene una molteplicità di mappe che interagiscono
senza alcun supervisore e che tuttavia rendono unitaria e coesa la
scena percettiva.
percettiva Esso consente di riunire nella stessa
categoria, avendone riconosciuta l‘utilità, molti oggetti
differenti.
IN CONCLUSIONE:
La teoria della selezione dei gruppi neuronali (TSGN)
permette di agglomerare questi concetti in tre principi chiave:
Selezione in fase di sviluppo
Selezione esperenziale
Il rientro
Si può concludere che, se nei processi evolutivi l'unità principale di
selezione è il singolo animale (fenotipo) e nel sistema immunitario è il
singolo
i
l
linfocita, nel
sistema nervoso
non è la singola
cellula, ma
piuttosto un
insieme di
cellule
estremamente
t
t
connesse
chiamato
gruppo
neuronico.
• Le cause sono molteplici: in primo luogo la
regolazione dinamica delle CAM (molecole
di adesione al substrato) e delle SAM
(molecole di adesione fra le cellule), la
variabilità stocastica dei movimenti,
l'estensione dei prolungamenti e la morte delle
cellule durante lo sviluppo; in secondo luogo
l'accoppiamento
l accoppiamento, dipendente dall
dall'attività
attività delle
connessioni, imposto alla rete dei neuroni
nella fase in cui esplorano una regione
cerebrale in sviluppo. Occorre sottolineare
come l'intero processo si basi sulla selezione e
coinvolga popolazioni di neuroni impegnate in
una competizione topobiologica.
Cos’è la plasticità cerebrale?
• Capacità del cervello a
rimodellare le sue connessioni
sinaptiche (Hebb, 1949)
• Risultato dell’apprendimento,
della memoria e
dell’adattamento a lesioni
cerebrali
Meccanismi
•variazione del
numero e
dell’architettura
delle sinapsi
•variazione
dell’efficacia
sinaptica
•riarrangiamenti
strutturali
Influsso
nervoso
0.02 mm
synapse
un neurone può ricevere fino a
10’000 sinapsi
1015 sinapsi (1000’000’000’000’000)
synapse
I circuiti nervosi possono modificarsi in risposta all’esperienza
La plasticità’ è presente in tutto il SNC, ma in particolar modo a livello
della corteccia cerebrale
Senza di essa
Il nostro cervello non si sarebbe sviluppato in maniera normale
•Il nostro comportamento sarebbe stereotipato ed immodificabile
dall’esperienza
Saremmo esseri senza memoria del passato
I cambiamenti dei circuiti neurali in risposta all’esperienza sono meno
plasticità corticale diminuisce con il
evidenti man mano che la p
procedere dello sviluppo
Tuttavia, la plasticità corticale è presente nell’adulto, sia in risposta ad
aumenti dell’attività afferente (apprendimenti) sia in risposta a riduzioni
dell’attività afferente (lesioni)
Signifié
Signifiant
ARBRE
MARBRE
MATRONE
MAISON
MONTAGNE
MONTAGNE
In seguito ad una lesione al SNC si verifica:
Una riorganizzazione dei circuiti neurali, particolarmente evidente
a livello corticale.
Tale riorganizzazione può condurre, nel caso di lesioni che
avvengono durante lo sviluppo, ad un recupero della funzione
danneggiata.
danneggiata
•
• Riorganizzazione perilesionale
Riorganizzazione con spostamento all’emisfero controlaterale
Il caso di lesioni alle aree dell’emisfero sinistro e lo sviluppo del
linguaggio:
•
• Il “costo” della plasticità
La “non equipotenzialità” degli emisferi
Comprendere i meccanismi alla base della
plasticità corticale, sia durante lo sviluppo
che nell’adulto, potrebbe permettere di:
correggere difetti insorti in seguito ad un
processo di sviluppo deficitario o scorretto
sfruttare al meglio o potenziare i tentativi
spontanei di recupero che il sistema nervoso
mette in atto dopo una lesione
Le “regole” della plasticità
Raffinamento e maturazione dei circuiti neurali durante
lo sviluppo
Formazione di una traccia di memoria
Plasticità neurale: capacità dei circuiti nervosi di modificarsi,
cambiando quindi la loro uscita,
uscita in risposta all
all’esperienza
esperienza
Cosa cambia nel circuito?
L’efficacia delle connessioni sinaptiche si modifica in risposta ai
cambiamenti nell’attività elettrica che l’esperienza induce nel
circuito
Ingresso
presinaptico
Risposta
postsinaptica
Ingresso
presinaptico
p
p
Esperienza
(cambio di attività mantenuto nel tempo)
Risposta
postsinaptica
o
Meccanismo Hebbiano di plasticità:
p con attivita’ sincrona
rafforzamento delle sinapsi
Principio di Hebb: se un neurone presinaptico A attiva
ripetutamente
i t t
t il neurone postsinaptico
t i
ti B lla connessione
i
sinaptica
i
ti
fra A e B si rafforza (1949)
Corollario: se A fallisce ripetutamente nell’attivare B, la
connessione fra A e B si indebolisce
Meccanismo Hebbiano di plasticità:
rafforzamento delle sinapsi
p con attivita’ sincrona
Neuroni presinaptici
attivi sincronicamente
Neuroni presinaptici
attivi asincronamente
Attività del neurone
postsinaptico
La verifica sperimentale dell’ipotesi di Hebb si ebbe con la
scoperta, all’inizio degli anni ’70, del fenomeno del
potenziamento a lungo termine (LTP)
Esempio di
potenziamento a lungo
termine. Uno stimolo ad
alta frequenza (treno di
impulsi indicato con il
impulsi,
triangolo nero) produce
un incremento
p
transitorio della risposta
sinaptica (LTP precoce).
Se si eseguono 4
stimolazioni ad alta
frequenza si ha un
potenziamento
maggiore e permanente
nell ttempo (LTP tardivo).
t di )
Tratto da Kandel et al.,
2003.
Esperimenti successivi hanno mostrato che LTP della
trasmissione sinaptica in una via afferente veniva indotto anche
con una stimolazione a bassa frequenza
frequenza, a patto che essa fosse
accoppiata ad una forte depolarizzazione della cellula
postsinaptica indotta dallo sperimentatore.
Questo esperimento verificava direttamente l’ipotesi di Hebb ed
p
p
proprietà
p
del LTP:
identificava tre importanti
la specificità del LTP per la via attivata, infatti la depolarizzazione
della cellula postsinaptica per sé non induceva LTP nelle vie che
non erano state attive in coincidenza con la depolarizzazione;
l’associatività
associatività, per cui se una via era debolmente attiva in modo
però sincrono con una via fortemente attiva, andava incontro ad
egualmente
l
t ad
d LTP iin quanto
t sii realizzava
li
una coincidenza
i id
temporale tra il suo stato di attivazione e una forte attivazione
p
postsinaptica;
p
la cooperatività
cooperatività, per cui l’attivazione simultanea di numerose fibre
presinaptiche è necessaria per elicitare LTP.
CONDIZIONAMENTO OPERANTE
La teoria del condizionamento operante venne formulata da B.F.Skinner in
alternativa a quella del condizionamento classico di Pavlov.
Pavlov. Skinner stabilì
sperimentalmente che il comportamento poteva essere condizionato per
mezzo di stimoli, o "rinforzi", positivi e negativi
negativi.. Nell'illustrazione, un rinforzo
positivo condiziona il topolino a trovare l'uscita dal labirinto
labirinto..
Il topolino viene ricompensato con del
cibo quando raggiunge la prima curva
del labirinto (A). Una volta acquisito
questo tipo di comportamento, il
topolino non viene più ricompensato
finché non raggiunge la seconda curva
(B). Dopo molti tentativi all'interno del
labirinto, il topolino deve raggiungere
ll'uscita
uscita (C ) prima di ottenere la
ricompensa. La ricerca sul
condizionamento operante portò
Skinner a concludere che la
ricompensa di azioni semplici
condizionasse forme di comportamento
complesse.
Meccanismi di plasticità sinaptica
(non alternativi)
Ingresso
presinaptico
p
p
Risposta
postsinaptica
Ingresso
presinaptico
Risposta
postsinaptica
Ingresso
presinaptico
Risposta
postsinaptica
Potenziamento
sinaptico
Nuovi siti
sinaptici
Crescita di nuove
connessioni
Le modificazioni dell’efficacia sinaptica, per
consolidarsi e mantenersi stabili nel tempo
(modifiche a lungo termine) necessitano
della trascrizione genica e della sintesi di
nuove proteine
L’attività neuronale (=esperienza) modifica l’espressione genica
I secondi
messaggeri
accoppiano gli
ingressi neuronali
all’espressione
genica: le
si
esperienze
p
traducono in
modifiche
biochimiche e
strutturali dei
neuroni
Plasticità Neuronale
• L’ efficacia della trasmissione sinaptica nel
cervello è attivitàattività-dipendente e continuamente
modificata. Esempi di tale persistente
modificazione è la “long“long
long-term potentiation and
depression (LTP and LTD)”.
• LTP/LTD è un aumento/riduzione nella efficacia
sinaptica, che può essere elicitata dalla
coniugazione dell’attività prepre- e post
post--sinaptica.
• LTP e LTD non sono solo di importanza
fisiologica, ma possono anche giocare ruoli
maggiori in vari eventi patologici.
LTP
E’generato in seguito al legame del glutammato
(liberato dal neurone presinaptico) con i suoi
specifici
p
recettori NMDA ((nella membrana
postsinaptica)
I recettori NMDA aprono i canali del calcio se la
membrana postsinaptica è depolarizzata
INDUZIONE DI LTP
 Legame del glutammato ai recettori
NMDA e AMPA
 Ingresso di sodio promosso da
AMPA e depolarizzazione della
membrana postsinaptica
 Ingresso del calcio mediato dai
recettori NMDA
 Il calcio attiva diverse proteinproteinchinasi che attivano l’enzima ossido
nitrico sintasi
 Produzione di NO che penetra nel
terminale presinaptico e attiva la
guanilato ciclasi
 Produzione di cGMP che mantiene
aperti i canali del calcio
 Reiterata liberazione del
glutammato
Ingresso di Ca nella spina dendritica
L’accoppiamento attività neuronale – espressione
genica è p
g
presente anche p
per la trasmissione sinaptica
p
diretta ed è mediato dal Ca++ il quale può entrare nel
neurone o attraverso i recettori per il glutammato di
tipo NMDA oppure attraverso dei canali per il Ca++
voltaggio-dipendenti che si aprono quando il recettore
non NMDA depolarizza il neurone
non-NMDA
neurone.
Il Ca++ lega diversi enzimi intracellulari (proteine
chinasi) che a loro volta possono traslocare al nucleo
e modulare l’azione dei complessi proteici che
determinano
dete
a o se un
u gene
ge e viene
e e trascritto
t asc tto o meno.
e o
Growth of dendritic spines (arrows) in
response to synaptic stimulation in a brain
slice. The neuron was filled with enhanced
GFP by viral transfection and imaged with
two-photon laser scanning microscopy.
(from K. Svoboda).
I passi che conducono
ad una
na modifica
duratura dei circuiti
neurali in risposta
all’esperienza
coinvolgono diversi
fattori
Il recettore NMDA funge da detettore di attività correlata fra il terminale presinaptico ed il
terminale postsinaptico
Livelli di inibizione
Fattori
a o neurotrofici
eu o o c ((NGF,
G , BDNF))
Protein chinasi (ERK, PKA)
Neuromodulatori (Acetilcolina, Noradrenalina)
Fattori di trascrizione (CREB)
Componenti della matrice extracellulare e
proteasi che li degradano
La memoria spaziale nei roditori
MORRIS WATER MAZE.
N
O
N
E
S
START
Percorso tipico dei primi giorni
del test, strategia di girare
intorno al bordo della vasca
cercando una via di fuga
O
E
S
START
Percorso tipico degli ultimi giorni
del test