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ITIS "GUIDO TASSINARI" Pozzuoli Corso di formazione ammissione facoltà scientifiche ALLA SCOPERTA DEL SISTEMA NERVOSO – aspetti fisiologici e frontiere.

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1 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

2 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. Il neurone

3 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 di riposo

4 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. Potenziale d’azione

5 L’ apertura o chiusura dei canali a controllo di potenziale è regolata dal potenziale di membrana. Il meccanismo del potenziale d’azione

6 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

7 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 sodio- potassio, 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 variazio- ni, tenderebbero a uguagliarsi sui due lati della membrana. Il meccanismo del potenziale d’azione

8 Fibre amieliniche e mieliniche 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. 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.

9 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

10 Numerose sostanze possono fungere da neurotrasmettitori; le principali sono l’acetilcolina, la noradrenalina, la serotonina, la dopamina e il GABA (acido gamma- amminobutirrico).

11 L’azione dei neurotrasmettitori dura solo un breve periodo; essi vengono subito degradati e i loro prodotti riassorbiti dalla terminazione dell’assone e riutilizzati. 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). 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.

12 Per contattare l’autore: Sito: altervista.org altervista.org 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

13 FRONTIERE

14 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.

15 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

16 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.

17 La scoperta delle funzioni della corteccia cerebrale: l’homunculus

18 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 è controllata dalla combinazione di più regioni.

19 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.

20 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). Due diversi tipi di memoria 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.

21 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). Memoria esplicita e implicita 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 moto- sensoriali che sono reclutati di volta in volta per compiti specifici. Essa apprende molto gradualmente.

22 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.

23 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

24 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

25 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

26 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.

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