Lic. Scientifico “A. Meucci” Sistema Nervoso 1° parte Lic. Scientifico “A. Meucci” Aprilia Prof. Rolando Neri

Vedere, capire, interpretare

Tutti gli organismi viventi interagiscono costantemente con il mondo esterno PERCEZIONE DEGLI STIMOLI ESTERNI: ORGANI DI SENSO COORDINAMENTO DEI SEGNALI: SISTEMA NERVOSO CENTRALE E PERIFERICO RISPOSTA AGLI STIMOLI: ORGANI EFFETTORI

Variazioni sul sistema nervoso I sistemi nervosi degli invertebrati sono di varia complessità. Il più semplice modello organizzativo di sistema nervoso lo troviamo nei Celenterati. Sono animali acquatici che vivono attaccati al substrato, e muovono il loro corpo grazie alle stimolazioni inviate dai neuroni, che formano una rete diffusa e che ricevono informazioni dai recettori sensoriali presenti tra le cellule epiteliali. La conduzione nervosa è soggetta a decremento, cioè l’intensità del segnale diminuisce man mano che ci si allontana dal punto in cui esso è stato generato.

Variazioni sul sistema nervoso Il sistema nervoso cordonale, tipico dei platelminti, dei nematodi e di altri vermi, è costituito essenzialmente da due cordoni longitudinali e da due gangli posti all’estremità anteriore del corpo che rappresentano un inizio di cefalizzazione. Questa struttura consente all’animale una maggiore mobilità in quanto è più organizzata ed efficiente di quella dei celenterati. Nella planaria, si osserva anche una primitiva strutturazione di un sistema centrale (centralizzazione).

Variazioni sul sistema nervoso Con l’aumentare della complessità corporea, gli altri invertebrati hanno una cefalizzazione e una centralizzazione via via più evoluta; per esempio, i molluschi e gli artropodi, hanno i gangli, contenenti i corpi cellulari dei neuroni, e i nervi periferici. In questi animali la complessità delle funzioni e del comportamento è resa possibile da una cefalizzazione più spinta, ovvero dalla presenza di un cervello costituito dalla fusione di alcuni gangli in un complesso di maggiori dimensioni; insomma, si può parlare di un vero e proprio enecefalo.

Variazioni sul sistema nervoso Nei cordati (il phylum al quale appartengono anche i vertebrati) si assiste alla comparsa di un sistema nervoso tubolare, nel quale compare una netta distinzione tra sistema nervoso centrale (cervello e midollo spinale) e sistema nervoso periferico (gangli e nervi). Infine, nei vertebrati la mielinizzazione delle fibre consente una trasmissione più rapida degli impulsi.

Encefalo e midollo spinale IL SISTEMA NERVOSO Recettore sensoriale Organi di senso Acquisizione sensoriale Integrazione Stimolo motorio Encefalo e midollo spinale Effettore (muscolo o ghiandola) Sistema nervoso periferico (SNP) Sistema nervoso centrale (SNC)

IL SISTEMA NERVOSO Per sistema nervoso si intende un'unità morfo-funzionale altamente specializzata nell'elaborazione di segnali bioelettrici; il sistema nervoso è diviso in due parti: 1) Sistema nervoso centrale; 2) Sistema nervoso periferico; La cellula principale del sistema nervoso è il neurone.

IL SISTEMA NERVOSO il sistema nervoso centrale (SNC) comprende encefalo e midollo; il sistema nervoso periferico (SNP) include tutto il rimanente tessuto nervoso Le componenti del SNP sono tre: il sistema nervoso somatico (SNS), il sistema nervoso autonomo (SNA) e il sistema nervoso enterico (SNE).

Il sistema nervoso integra e controlla tutte le attività dell’organismo. Integrazione: le attività dei vari organi, sistemi ed apparati debbono essere coordinate tra loro, al fine di raggiungere un obiettivo comune. Controllo: nessuna azione volontaria o involontaria viene compiuta senza l’ordine del sistema nervoso. Tutto il sistema nervoso è fatto da cellule dello stesso tipo, i neuroni, specializzate nel condurre uno stimolo elettrico. La capacità dei neuroni di ricevere e trasmettere impulsi dipende dalla loro struttura.

IL SISTEMA NERVOSO Il sistema nervoso svolge tre funzioni principali: sensoriale: i recettori sensoriali rilevano gli stimoli all’interno e all’esterno del corpo. di integrazione: elabora l’informazione sensoriale e predispone a una risposta adeguata. La percezione consente la consapevolezza dello stimolo sensoriale. Alla funzione di integrazione partecipano gli interneuroni motoria: allo stimolo sensoriale può seguire una risposta motoria determinata dai neuroni motori o efferenti che trasportano l’informazione dall’encefalo al midollo spinale e da qui agli effettori attraverso i nervi cranici e spinali.

L’istologia del sistema nervoso Il tessuto nervoso è costituito da due tipi di cellule i neuroni: sono le unità di base di elaborazione dell’informazione del sistema nervoso le cellule della nevroglia: sostengono, nutrono, e proteggono i neuroni e mantengono l’omeostasi del liquido interstiziale.

L’istologia del sistema nervoso Il neurone è una cellula come le altre, quindi possiede una membrana ha un nucleo che contiene geni contiene mitocondri ed organelli sintetizza proteine e produce energia

L’istologia del sistema nervoso Il neurone si distingue dalle altre cellule perché possiede prolungamenti chiamati dendriti ed assoni. - I dendriti portano informazioni verso il corpo cellulare. Gli assoni portano informazioni lontano dal corpo cellulare. - Gli assoni sono circondati da una guaina mielinica, un rivestimento pluristratificato composto da lipidi e proteine. Intervallati lungo l’assone vi sono spazi vuoti detti nodi di Ranvier. Contengono neurotrasmettitori. Formano sinapsi.

L’istologia del sistema nervoso I neuroni sono le cellule più importanti del sistema nervoso. Sono circa cento miliardi nel cervello umano con circa 100 000 miliardi di sinapsi.

L’istologia del sistema nervoso La maggior parte degli organuli del neurone, nucleo compreso, è localizzata nel corpo cellulare Dal corpo cellulare si estendono due tipi di prolungamenti, i dendriti (corti e numerosi) e l’assone (lungo ed unico). Cellula di Schwann Direzione dell’impulso Dendriti Corpo cellulare Nucleo Assone Guaina mielinica Nodi di Ranvier Nodo di Ranvier Bottoni sinaptici Corpo cellulare SEM 3600 Strati di mielina della guaina

L’istologia del sistema nervoso L’istologia del sistema nervoso Gli assoni che trasportano rapidamente gli impulsi sono avvolti, per gran parte della loro lunghezza, da una sostanza isolante chiamata guaina mielinica. Cellula di Schwann Direzione dell’impulso Dendriti Corpo cellulare Nucleo Assone Guaina mielinica Nodi di Ranvier Nodo di Ranvier Bottoni sinaptici Corpo cellulare SEM 3600 Strati di mielina della guaina Nei vertebrati questo materiale ha l’aspetto di una collana costituita da perle di forma allungata: ogni «perla» è una cellula di Schwann. Gli impulsi nervosi viaggiano in una sola direzione, dai dendriti al corpo cellulare e poi lungo l’assone fino alla terminazione sinaptica

L’istologia del sistema nervoso La mielina Migliora la conduzione dell’impulso nervoso

L’istologia del sistema nervoso Le altre cellule del sistema nervoso complessivamente vengono dette cellule di nevroglia Astrociti: ripuliscono il cervello da rifiuti,trasportano nutrienti ai neuroni, contribuiscono a tenere i neuroni al loro posto, digeriscono neuroni morti, regolano la composizione del liquido extracellulare. Cellule di Schwann: si avvolgono intorno al neurone e lo isolano elettricamente. Cellule della microglia, oligodendrociti e cellule ependimali.

Il funzionamento del neurone Nei neuroni gli stimoli si traducono in impulsi che vanno lungo la cellula nervosa, grazie a flussi di ioni (Na+ e K+). I neuroni comunicano anche utilizzando i neurotrasmettitori, rilasciati nelle sinapsi che li collegano a un altro neurone o alle cellule degli organi effettori (muscoli e ghiandole).

La comunicazione dell’informazione nervosa Gli impulsi nervosi hanno la capacità di rigenerarsi lungo l’assone Sono eventi del tipo “tutto o nulla” Gli impulsi nervosi sono sempre uguali, indipendentemente dal fatto che lo stimolo che li ha generati sia forte o debole Al variare dell’intensità dello stimolo cambia invece la frequenza degli impulsi stessi Il passaggio dell’informazione da cellula a cellula avviene attraverso le sinapsi, le regioni di transito tra le terminazioni di due neuroni contigui. Nelle sinapsi è presente uno spazio, la fessura sinaptica, che separa i neuroni. Per attraversare la sinapsi il segnale elettrico deve essere convertito in un segnale chimico, costituito da molecole di neurotrasmettitore

La trasmissione sinaptica Il neurotrasmettitore viene liberato per esocitosi dal neurone presinaptico e diffonde nella fessura sinaptica Assone del neurone presinaptico Neurone presinaptico 1 Arriva l’impulso nervoso Vescicole Terminazione sinaptica Si lega quindi ai recettori della membrana del neurone postsinaptico, stimolandolo tramite l’apertura di alcuni canali ionici Sinapsi La vescicola si fonde con la membrana plasmatica 2 3 Il neurotrasmettitore viene liberato nello spazio sinaptico Il neurotrasmettitore viene poi eliminato, per evitare che continui il proprio effetto Spazio sinaptico 4 Il neurotrasmettitore si lega al recettore Neurone postsinaptico Neurone postsinaptico L’attraversamento della sinapsi è unidirezionale: solo il neurone presinaptico rilascia neurotrasmettitore; solo il neurone postsinaptico ha i recettori a cui questo può legarsi Molecole di neurotrasmettitore Canali ionici Il neurotrasmettitore viene demolito ed eliminato Neurotrasmettitore Recettore Ioni 5 Il canale ionico si apre 6 Il canale ionico si chiude

La sinapsi (Schema) Neurotrasmettitore Impulso elettrico spazio neurale

La trasmissione sinaptica Nella sinapsi chimica, il segnale elettrico presinaptico (impulso nervoso) viene convertito in segnale chimico (rilascio del neurotrasmettitore); il segnale chimico viene poi riconvertito in segnale elettrico (depolarizzazione o iperpolarizzazione) nella cellula postsinaptica.

La sinapsi (Foto)

La trasmissione sinaptica Esistono sinapsi inibitorie ed eccitatorie, il neurone ricevente integra le relative informazioni. Le sostanze psicoattive agiscono sui neurotrasmettitori o sono neurotrasmettitori. I neuromodulatori (come i fattori di crescita dei nervi, NGF) sono proteine che interagiscono con recettori di membrana situati sui neuroni.

L’importanza dei neurotrasmettitori Il principale neurotrasmettitore è l’acetilcolina. Nel SNC numerosi amminoacidi si comportano come neurotrasmettitori (noradrenalina, dopamina…). L’ossido di azoto (NO) è un gas riconosciuto come neurotrasmettitore. I neuropeptidi sono neurotrasmettitori costituiti da amminoacidi, legati da legami peptidici (ad es.: le endorfine). Le endorfine sono in gran parte prodotte dalla ghiandola ipofisi. Le endorfine sono di grande interesse per gli studi medici grazie alla loro funzione analgesica; la maggior concentrazione di recettori per le endorfine, infatti, si riscontra nella parte del midollo spinale in cui arrivano le fibre nervose sensoriali che conducono gli stimoli dolorifici dalle varie parti del corpo. Un aumento delle endorfine conseguente a una situazione di stress può talvolta avere proprietà analgesiche tali da impedirci di sentire un dolore procuratoci durante un'attività come, per esempio, una competizione sportiva. Dato che i recettori per le endorfine si trovano anche nelle zone cerebrali che presiedono all'umore e alle emozioni, le endorfine, oltre ad aumentare la tolleranza al dolore, sono responsabili del senso di benessere che si genera in particolari situazioni piacevoli quali l'orgasmo sessuale, l'ascolto della musica, l'assunzione dei cibi preferiti, il fatto di sottoporsi a un massaggio, di vincere una gara o di raggiungere la cima di una montagna.

SOSTANZE PSICOATTIVE, PSICOFARMACI E DROGHE La parola «oppio» proviene dal greco opion, che significa «polpa di papavero». Dall'epoca degli antichi greci, la polpa di papavero e i suoi derivati, come la morfina, sono le sostanze più potenti per combattere il dolore (analgesici). I derivati dell'oppio però provocano anche una forte dipendenza. Gli oppiacei agiscono come neuromediatori inibitori, rallentando la propagazione degli impulsi nervosi. Perché il nostro cervello possiede dei recettori per i derivati del papavero? Oggi sappiamo che questi recettori esistono perché il nostro organismo sintetizza sostanze chimicamente molto simili, appunto le endorfine. Alcune droghe, come la morfina, l’eroina e altri oppiacei esogeni, si combinano con i recettori per le endorfine alleviando il dolore, ma si ritiene che questi oppiacei esterni, agendo con un meccanismo a feedback, riducano la normale produzione di endorfine. Da ciò deriva la forte dipendenza che si può avere degli oppiacei: il corpo si abitua a produrre meno endorfine e gli effetti di questa carenza diventano drammatici in assenza delle droghe.

SOSTANZE PSICOATTIVE, PSICOFARMACI E DROGHE In generale: Le droghe ed i farmaci attivi sul sistema nervoso sono molecole simili ai neurotrasmettitori, con cui competono, sostituendovisi, rafforzandone l’azione, riducendola o inibendola. Ad esempio, gli ipnotici, gli analgesici e gli anestetici, come i bromuri, l’aspirina, la morfina e l’oppio producono un potenziale postsinaptico inibitorio, diminuendo l’attività sinaptica. Se una sostanza sostituisce un neurotrasmettitore, l’organismo, tramite un meccanismo di feed back negativo, cessa di produrre il neurotrasmettitore medesimo, diventando dipendente dalla somministrazione della sostanza dall’esterno (dipendenza). Quando la somministrazione esterna cessa, l’organismo, non essendo più capace di produrre da solo la sostanza oppure di produrne a sufficienza, va in crisi (crisi d’astinenza). La crisi viene superata perché l’organismo comunque, lentamente, ricomincia la produzione della sostanza naturale. Quando la produzione naturale torna a livelli normali la dipendenza fisica è superata.

SOSTANZE PSICOATTIVE, PSICOFARMACI E DROGHE Molte sostanze psicoattive (tra cui caffeina, nicotina e alcol etilico) influenzano l’azione dei neurotrasmettitori nelle sinapsi presenti nel nostro cervello. Caffeina  neutralizza effetto dei neurotrasmettitori inibitori  funzione eccitatoria. Nicotina  agisce da stimolante legandosi ai recettori dell’acetilcolina Alcol  ha effetto sedativo, che potenzia l’azione inibitoria del GABA; ha lo stesso effetto dei tranquillanti Farmaci antidepressivi  La depressione sembra correlata con uno squilibrio della concentrazione della serotonina. Alcuni farmaci sono in grado di correggere tale squilibrio. Vengono chiamati inibitori selettivi della ricaptazione della serotonina, perché dopo che il neurotrasmettitore ha agito è necessario bloccarne l’azione, per non alterare il segnale nervoso. In alcuni casi, come con la serotonina, è il neurone presinaptico che riassorbe la serotonina, ricaptazione, in altri casi è il neurone postsinaptico che libera un enzima che inattiva il neurotrasmettitore. LSD  sostanza psicoattiva che produce effetti allucinogeni legandosi ai recettori della serotonina e della dopamina presenti nel cervello. Amfetamine e cocaina  potenziano il rilascio di noradrenalina e dopamina Oppiacei (morfina, codeina ed eroina)  si legano ai recettori per le endorfine e riducono la percezione del dolore

GENERAZIONE e PROPAGAZIONE dell’IMPULSO NERVOSO A riposo la cellula nervosa presenta un potenziale elettrico negativo (-70mV) (potenziale di membrana o potenziale di riposo) mantenuto grazie ad una pompa ionica sodio-potassio All’arrivo di un segnale attraverso i dendriti o il corpo cellulare, la cellula nervosa inverte il potenziale che diventa positivo (potenziale di azione) L’impulso elettrico si propaga lungo l’assone Nella parte terminale dell’assone, in corrispondenza della sinapsi chimiche, l’impulso elettrico determina il rilascio di neurotrasmettitori chimici che, legandosi ai recettori sulla membrana del neurone adiacente, determina la generazione di un nuovo impulso elettrico nel neurone successivo

Il potenziale di membrana o di riposo Il potenziale di riposo della membrana è dovuto a un piccolo accumulo di ioni a carica negativa e proteine nel citosol, subito all’interno della membrana, e a un corrispondente accumulo di ioni a carica positiva nel liquido interstiziale che si trova immediatamente all’esterno della membrana. Se i microelettrodi sono entrambi posizionati lontano dalla membrana dell'assone, non si registra alcuna differenza di potenziale. Se un elettrodo è posto all'interno e uno all'esterno della membrana (come nella Figura), l'oscilloscopio indica che I'interno ha un potenziale elettrico inferiore a quello esterno di circa 70 millivolt (potenziale di riposo). Sul lato sinistro della figura è invece in atto una depolarizzazione della membrana

I potenziali d’azione I neuroni comunicano tra di loro per mezzo di potenziali d’azione nervosa. La generazione di un potenziale d’azione dipende da due caratteristiche della membrana plasmatica: l’esistenza di un potenziale di riposo; la presenza di canali ionici specifici.

I potenziali d’azione I potenziali d’azione I canali ionici sono di due tipi canali a flusso continuo: canali a flusso limitato ma ininterrotto di ioni attraverso la membrana; canali di selezione: canali che si aprono e si chiudono a comando.

Pompe e canali ionici La pompa sodio-potassio sposta attivamente ioni K+ all’interno di un neurone e ioni Na+ all’esterno

Pompe e canali ionici I canali ionici permettono a specifici ioni di diffondere secondo i loro gradienti di concentrazione; gli ioni K+ tendono a lasciare i neuroni quando sono aperti i canali del potassio, mentre quelli Na+ tendono a entrare nei neuroni quando sono aperti i canali del sodio.

I potenziali d’azione I potenziali d’azione Il potenziale d’azione (PA) o impulso è una sequenza di eventi in successione che diminuiscono o invertono il potenziale di membrana. Ovvero, uno stimolo provoca rapide modifiche dei canali regolati regolati da voltaggio per il sodio e per il potassio, è ciò determina una momentanea inversione di polarità (potenziale d'azione) registrata dai due elettrodi.

Il potenziale d’azione 1. La conduzione del segnale nervoso comincia quando, in seguito a una stimolazione, alcuni canali proteici si aprono, consentendo I'ingresso di ioni Na+ nel neurone. Per breve tempo, l'ambiente interno della cellula assume una carica positiva. 2. Successivamente, i canali del sodio si chiudono, mentre si aprono quelli del potassio, permettendo la fuoriuscita degli ioni K+ dal neurone. Ciò ripristina la carica positiva all'esterno della membrana. Il primo afflusso di ioni Na+ nella cellula, attraverso una data zona della membrana, innesca la stessa sequenza di eventi nella zona adiacente: nel disegno, in cui è rappresentata la conduzione del segnale nervoso lungo un assone, possiamo notare I'afflusso di ioni Na+ nella porzione dell'assone vicina a quella di fuoriuscita degli ioni potassio. 3. Il segnale (il potenziale d'azione appena descritto) continua a propagarsi lungo l'assone, allontanandosi dal corpo cellulare.

I potenziali d’azione I potenziali d’azione Mentre un potenziale d’azione si propaga lungo un assone non si verifica nessuna perdita di segnale. Quando un potenziale d’azione viene stimolato in una regione della membrana, lo stimolo elettrico scorre verso le aree adiacenti della membrana stessa, depolarizzandola. L’onda di propagazione provoca, via via che si sposta, l’apertura di altri canali per il sodio in modo che un nuovo potenziale d’azione viene generato nella sezione successiva

I potenziali d’azione I potenziali d’azione Nel frattempo, nella regione dove il potenziale d’azione è stato appena attivato i canali del sodio vengono disattivati mentre sono ancora aperti i canali del potassio; tutto ciò rende questa sezione dell’assone refrattaria. Ecco perché un potenziale d’azione non può «tornare indietro», ma si muove sempre avanti lungo l’assone, rigenerandosi mentre si propaga.

I potenziali d’azione saltano lungo gli assoni Un potenziale d’azione, negli assoni mielinizzati, sembra «saltare» da nodo a nodo.

Lo sapevi che… I neuroni hanno due primati: sono le cellule più vecchie e più lunghe del nostro corpo I neuroni del nostro corpo di rado vengono sostituiti, infatti sappiamo che da vecchi abbiamo un ridotto numero di neuroni Per quanto riguarda le dimensioni pensate ai neuroni afferenti che partono dalla pelle fino a giungere al midollo

La velocità di conduzione aumenta con l’aumentare del diametro dell’assone

La velocità dei segnali nervosi

Collegamento tra neurone e fascia muscolare 1 Neurone 2 Dendrite 3 Fascia muscolare 4 Miofibrille