Trasmissione Sinaptica

Schema di un circuito elettrico Corteccia visiva umana

Tipi di connessioni sinaptiche: Una sinapsi è la giunzione tra due elementi cellulari eccitabili che consente il passaggio di informazione sottoforma di segnali elettrici Tipi di connessioni sinaptiche: cito-neurale interneuronica neuro-muscolare

Neuroni della retina Bastoncello Cono Sinapsi cito-neurali Cellula orizzontale Cellula bipolare Sinapsi interneuroniche Cellula gangliare nervo ottico

Sinapsi neuro-muscolare Assone Placca motrice Fibra muscolare

direzione del flusso di informazione Parti di due neuroni Neurone presinaptico Neurone postsinaptico Terminale eccitatorio Terminale inibitorio Terminale presinaptico assone corpo cellulare dendriti Terminale presinaptico nucleo dendrite postsinaptico direzione del flusso di informazione

Trasmissione sinaptica in azione

Neurone postsinaptico La sinapsi è un punto di elaborazione dell’informazione neurone presinaptico Neurone postsinaptico - Un cervello umano adulto contiene ~1011 neuroni, ciascuno di questi potrebbe ricevere 103 sinapsi, per un totale di 1014 sinapsi. La maggior parte di queste sinapsi si formano nei primi 2 anni di vita. Quindi, in un feto e in un neonato si formano 1014 sinapsi/108 s = 106 sinapsi/s !!!

La chimica è uno dei linguaggi del sistema nervoso, p. es La chimica è uno dei linguaggi del sistema nervoso, p.es. a livello delle sinapsi citosol Fessura sinaptica citosol recettore Terminale presinaptico Dendrite postsinaptico recettore Molecole di trasmettitore in vescicole sinaptiche recettore direzione del flusso d’informazione

Immagine al microscopio elettronico di una porzione di sinapsi vescicole sinaptiche terminale presinaptico dendrite postsinaptico

La diffusione attraverso lo spazio sinaptico è rapidissima citosol Fessura sinaptica citosol recettore Terminale presinaptico 50 nm = 500 Å = 0.05 mm dendrite postsinaptico recettore Molecole di trasmettitore recettore Tempo di diffusione: pochi ms direzione del flusso d’informazione

citosol Come si riempiono le vescicole sinaptiche N citosol H+ Interno della vescicola N Come si riempiono le vescicole sinaptiche Pompa protonica ATP-dipendente Neurotransmettitore e ATP (da 1,000 a 10,000 molecole di ciascuno) H+ H+ Pompa H+-dipendente del neurotransmettitore citosol N ~ isotonico!

Gli acidi e le basi deboli corto-circuitano molte vescicole! MDMA (“ecstasy”) dissipa le riserve di H+ nelle vescicole, prevenendo il pompaggio di serotonina nelle vescicole pompa protonica ATP-dipendente trasportatore vescicolare di serotonina proton-accoppiato vescicola depletata di serotonina vescicola di serotonina vescicola di serotonina serotonina citosol MDMA-H+ H+ MDMA “falso substrato” per due trasportatori MDMA-H+ Trasportatore della serotonina attraverso la membrane cellulare Na+-accoppiato spazio sinaptico MDMA

comunicazione cellulare Come fa il neurotrasmettitore contenuto nelle vescicole a riversarsi nello spazio sinaptico? Le cellule hanno sviluppato sistemi elaborati per pompare il Ca2+ fuori dalla cellula mantenendone bassa la concentrazione nel citosol Un aumento transitorio e locale del Ca2+ intracellulare può essere usato per promuovere la comunicazione cellulare

terminale presinaptico La fusione delle vescicole sinaptiche è promossa prima da un evento elettrico e poi da uno chimico terminale presinaptico vescicola ancorata neurotrasmettitore Impulso nerv. canale per il Ca2+ voltaggio-dipendente spazio sinaptico

terminale presinaptico La fusione delle vescicole sinaptiche è promossa prima da un evento elettrico e poi da uno chimico terminale presinaptico vescicola ancorata neurotrasmettitore Ca2+ Impulso nerv. canale per il Ca2+ voltaggio-dipendente spazio sinaptico

terminale presinaptico La fusione delle vescicole sinaptiche è promossa prima da un evento elettrico e poi da uno chimico terminale presinaptico vescicola fusa Ca2+ neurotrasmettitore spazio sinaptico

Terminale sinaptico a riposo zzz… Vescicola sinaptica Proteina di fusione Proteina di legame dell’actina Actina Trasmettitore Proteina di fusione Corpi densi Terminale presinaptico Canali del calcio Proteina di allineamento Membrana postsinaptica Recettori

Terminale sinaptico durante l’eccitamento Trasmettitore Recettori

Sindrome di Lambert-Eaton Debolezza generalizzata Causata da anticorpi contro canali del Ca2+ pre-sinaptici

Modalità di estinzione del neurotrasmettitore: Il neurotrasmettitore agisce attivando il recettore postsinaptico per un tempo molto breve, dopo di che la sua azione si estingue Modalità di estinzione del neurotrasmettitore: diffusione al di fuori della fessura sinaptica scissione enzimatica riassorbimento nella terminazione pre-sinaptica

Come agisce il neurotrasmettitore a livello della membrana postsinaptica?

Attivazione diretta di un canale da parte di un neurotrasmettitore Recettore chiuso ACh aperto

Recettori-canale Nicotinici (acetilcolina) GABAergici di tipo A (GABA) Glutamatergici (glutammato) Glicinergici (glicina)

Alcune membrane postsinaptiche contangono recettori accoppiati a G proteine invece di canali chemio-dipendenti vescicole contenenti dopamina vescicole contenenti serotonina citosol fessura sinaptica recettore postsinaptico serotoninergico accoppiato a proteine G recettore postsinaptico dopaminergico accoppiato a proteine G citosol citosol

A B Chiusura di un canale per azione di un neurotrasmettitore mediante meccanismo indiretto Recettore Trasmettiotore Lato extracellulare Lato citoplasmatico Adenilato ciclasi aperto A 2 subunità catalitiche regolatrici chiuso B

A B Apertura di un canale per azione di un neurotrasmettitore mediante meccanismo indiretto Recettore Trasmettitore chiuso G-proteina A aperto B

Struttura di una sinapsi elettrica Gap junction connessioni

Neurone postsinaptico Studi elettrofisiologici delle sinapsi Neurone presinaptico Neurone postsinaptico

depolarizzazione del potenziale postsinaptico (eccitatorio) Stimolazione di un neurone presinaptico che produce un potenziale d’azione Misura della risposta postsinaptica V 1 ms 5 mV -60 +60 Un “potenziale sinaptico” sufficientemente intenso porta ad un potenziale d’azione postsinaptico depolarizzazione del potenziale postsinaptico (eccitatorio) Slide 6: Impulse flow Explain the normal direction of the flow of information (electrical and chemical). An electrical impulse (the action potential) travels down the axon toward the terminal. Point to the terminal. The terminal makes a connection with the dendrite of neighboring neuron, where it passes on chemical information. The area of connection is called the synapse. While the synapse between a terminal and a dendrite (shown here) is quite typical, other types of synapses exist as well--for example a synapse can occur between a terminal and a soma or axon.

Stimolazione di un neurone presinaptico che produce un potenziale d’azione Misura delle risposte postsinaptiche “potenziali postsinaptici” V 5 mV Slide 6: Impulse flow Explain the normal direction of the flow of information (electrical and chemical). An electrical impulse (the action potential) travels down the axon toward the terminal. Point to the terminal. The terminal makes a connection with the dendrite of neighboring neuron, where it passes on chemical information. The area of connection is called the synapse. While the synapse between a terminal and a dendrite (shown here) is quite typical, other types of synapses exist as well--for example a synapse can occur between a terminal and a soma or axon. Come è possibile studiare il potenziale post-sinaptico senza l’eventuale contaminazione del potenziale d’azione?

Bottoni sinaptici a livello dei dendriti di un neurone

50 - 1000 canali (differiscono in sinapsi diverse). Stimoli ripetuti ad un neurone presinaptico Analisi della Trasmissione Sinaptica Quantale 1.0 0.4 0.3 5 mV Frazione delle Osservazioni Stimolati 0.2 Spontanei 0.1 0 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 6 Ampiezza delle Risposte Post-sinaptiche (mV) 50 - 1000 canali (differiscono in sinapsi diverse). Contenuto di una singola vescicola. Nessun stimolo; eventi spontanei

Statistica binomiale del rilascio delle vescicole N vescicole per terminale (3 in questo esempio) p probabilità di rilascio per vescicola Qual’è la probabilità P di rilasciare n vescicole? (n = 2 per questo potenziale d’azione) N e p a volte cambiano durante la memorizzazione, l’apprendimento, e l’assunzione di droghe

Caratteristiche del potenziale post-sinaptico Ampiezza << del potenziale d’azione (< 10 mV)* Durata > del potenziale d’azione (>10 ms)* Può essere depolarizzante o iperpolarizzante (PPSE o PPSI)** E’ locale (non propagabile) E’ graduale E’ sommabile *Ampiezza e Durata dipendono da: Quantità di neurotrasmettitore liberato Estensione della membrana su cui agisce il NT **Il fatto che si tratti di un PPSE o di un PPSI dipende dal tipo di recettore attivato

Il potenziale postsinaptico è locale sinapsi tratto di dendrite V x Registrazioni del PPS in punti del dendrite a distanze crescenti dal punto in cui la sinapsi è stata attivata

Il potenziale postsinaptico è graduale

Sommazione temporale È il caso di un unico terminale presinaptico che libera neurotrasmettitore ad ondate successive

Sommazione spaziale e inibizione È il caso di più terminali presinaptici che liberano neurotrasmettitore contemporaneamente

Quesito del giorno Il neurone al centro riceve cinque terminali sinaptici da altrettanti neuroni ciascuno dei quali forma più contatti sinaptici (il terminale f1 forma tre contatti, cinque f2, ecc.). Il terminale f4 libera un neurotrasmettitore che genera potenziali postsinaptici inibitori, mentre i potenziali postsinaptici generati dagli altri terminali sono eccitatori. Se il potenziale di riposo del neurone bersaglio è –70 mV e la soglia di eccitamento è posta a –55 mV, generando ciascuna sinapsi un potenziale postsinaptico di 1 mV in valore assoluto, stabilire se quel neurone può generare un potenziale d’azione quando tutte le sinapsi sono attivate contemporaneamente.

Antagonista: d-tubocurarina L’acetilcolina Agonista: Nicotina Antagonista: d-tubocurarina

Myasthenia Gravis Caratteristica: debolezza e affaticabilità Causata da un attacco autoimmune mediato da anticorpi ai recettori Ach nel muscolo. Normale Myasthenia gravis

Due-terzi dei recettori a livello della giunzione neuro-muscolare non sono disponibili Normale Myasthenia gravis assone sito di rilascio vescicole terminale nervoso recettori per l’Ach acetilcolinesterasi muscolo

Antagonista: Atropina L’acetilcolina Agonista: Muscarina Antagonista: Atropina

Il GABA è un importante neurotrasmettitore inibitorio Agonista: Acido g-amino butirrico Antagonisti: Recettore GABAA bicucullina

Il glutammato è il principale trasmettitore eccitatorio nel cervello Recettori: AMPA e NMDA Agonista: acido glutamico

Il recettore NMDA è coinvolto nella plasticità sinaptica Il recettore NMDA conduce solo quando 1. Il potenziale di membrana è più positivo di -30 mV 2. È presente il glutammato (le concentrazioni intracell. di glutammato e Mg2+ sono trascurabili) Potenziale d’azione più glutammato canale funzionante Ca2+ -30 mV esterno interno Il recettore NMDA è coinvolto nella plasticità sinaptica

Il Potenziamento a Lungo Termine (PLT) come modalità di memorizzazione Consiste in una facilitazione della trasmissione dell’eccitamento nelle giunzioni sinaptiche. Si realizza in due fasi: Induzione del PLT Stabilizzazione del PLT

Induzione del PLT Quando il recettore AMPA è attivato ma il recettore NMDA bloccato, la sinapsi funziona perfettamente, viene prodotta una normale risposta postsinaptica, ma non può essere potenziata.

Induzione del PLT Solo quando il blocco da Mg sui recettori NMDA viene rimosso e il Ca2+ può entrare attraverso il canale NMDA è possibile il PLT

Stabilizzazione del PLT a livello presinaptico

Stabilizzazione del PLT a livello postsinaptico

PLT precoce (memoria a breve termine) Le proteinchinasi attivate agiscono su proteine preesistenti in attesa di essere attivate. Ad es., fosforilazione di recettori AMPA  risposta postsinaptica più intensa a parità di glutammato liberato fosforilazione AMPAR *CaMK Processi di rilascio *PKC Ca++ *PKC NMDAR Messaggero retrogrado * = attivazione persistente

PLT tardivo (memoria a lungo termine) Implica la sintesi di nuove proteine cAMP nucleo espressione genica CREB MAPK CaMK spina dendrite PKA sintesi proteica corpo cellulare CREB = Cyclic AMP-Response Element Binding Protein MAPK = mitogen-activated protein kinase

PLT tardivo (a lunga durata) Una forte stimolazione ad alta frequenza genera un PLT di lunga durata 1 La forte stimolazione porta alla creazione di un’etichetta molecolare sulla sinapsi (1) Inoltre innesca processi molecolari (2) che attivano geni all’interno del nucleo (3) Le proteine sintetizzate (4) si rivelano efficienti solo presso quei siti dove si era prodotta l’etichetta (5)

PLT precoce (a breve durata) Una SAF debole induce una forma di PLT di breve durata (PLT precoce) che non sollecita l’espressione genica né la sintesi proteica. Induce tuttavia la creazione dell’etichetta.

Il PLT precoce può trasformarsi in un PLT tardivo attraverso la coincidenza della SAF debole applicata a una via nervosa con la SAF forte collegata ad un’altra. Ciò è possibile perché la SAF debole crea comunque un’etichetta riconosciuta dalle proteine prodotte dalla SAF forte dall’altra via nervosa. Ciò può portare a: Consolidamento della connessione col terminale presinaptico: a livello postsinaptico rendendo disponibili più recettori AMPA a livello presinaptico rendendo più efficiente il rilascio di neurotrasmettitore Sviluppo contingente di nuove sinapsi mediante liberazione di neurotrofine dalla cellula postsinaptica

Due esempi di neuromodulatori Dopamina: interviene a livello del SNC nella regolazione dei fenomeni comportamentali e dell’umore Inibizione: cura di depressione e schizofrenia Facilitazione eccessiva (anfetamine): sintomatologie di tipo schizofrenico Scarsa produzione: morbo di Parkinson Serotonina: interviene a livello del SNC abbassando il livello di attività dei centri encefalici e regolando i fenomeni percettivi Inibizione: cura della depressione Attivazione eccessiva (LSD): allucinazioni