Download Diapositiva 1 - Biotecnologie

Corso di Neurobiologia
Il sistema nervoso…
• Fornisce sensazioni sull’ambiente interno
ed esterno
• Integra le informazioni sensoriali
• Coordina le attività volontarie e
involontarie
• Regola e controlla le strutture e gli
apparati periferici
• E’ sede della cognizione, delle emozioni,
della memoria, ecc.
Vista laterale di cervello umano
attività
motoria
integrazione
cognizione,
emozioni, ecc.
percezione
apprendimento
e memoria
attività
motoria
controllo
delle funzioni
vitali
Suddivisione anatomica generale
• Sistema nervoso centrale (SNC)
– Encefalo
(racchiuso nella cavità cranica)
– Midollo spinale
(racchiuso nel canale vertebrale)
• Sistema nervoso periferico (SNP)
– Tutto il tessuto nervoso al di fuori del SNC
(nervi e gangli nervosi)
NERVOUS STRUCTURES
Peripheral
Central
PNS
CNS
RECEPTORS
CEREBRAL CORTEX
Sens GANGLIA
DIENCEPHALON
MOTOR ENDINGS
CEREBELLUM
Auton GANGLIA
BRAINSTEM
PLEXUSES
SPINAL CORD
NERVES
NEURAL RETINA
“IT”
Effettori
SN
somatico
SNC
Muscolo
scheletrico
Efferenze
SN
autonomo
Muscolo liscio
Muscolo cardiaco
Ghiandole
integrazione
Recettori
altri organi
Afferenze
ambiente
esterno
BRAIN IN CORONAL VIEW
CORTEX
VENTRICLE
with
Choroid
plexus
SKULL
DURA
Dural Falx
SUBARACHNOID
SPACE
Dural sinus
CEREBELLUM
Tentorium cerebelli
SPINAL CORD
Cervical
enlargement
to serve arm
& hand
WHITE MATTER
Thoracic to
serve trunk &
sympathetic
autonomics
Lumbo-sacral
enlargement to
serve leg & foot &
pelvic viscera
GREY MATTER
dorsal horn - sensory
intermediate
/ lateral grey
ventral horn - motor
Central
canal
Ventral fissure with
anterior spinal artery
DORSAL ROOT GANGLION
Pial connective tissue
Clumps of sensory neurons
Nerve-like Root
central axon unseen H&E
Satellite cells
around neurons
dorsal horn - sensory
Bundles of
myelinated fibers
Hallmarks: large round neurons;
separation of neurons from pale
myelinated nerve bundles
Tessuto nervoso
• Concentrato per il 98% nel SNC
• Contiene due tipi di cellule:
– Neuroni
– Neuroglia
• E’ provvisto 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’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 di Golgi)
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
I neuroni differiscono, però, dalle altre cellule dell'organismo in
quanto:
•I neuroni hanno estensioni specializzate che si chiamano dendriti e
assoni. I dendriti portano informazioni al corpo cellulare, mentre gli
assoni le portano via dal corpo cellulare.
•I neuroni comunicano fra loro tramite a processi elettrochimici.
•I neuroni sono dotati di alcune strutture specializzate (come le
sinapsi) e contengono speciali sostganze chimiche (come i
neurotrasmettitori).
Il corpo umano è costituito da bilioni di cellule. Le cellule del sistema nervoso,
chiamate neuroni, sono specializzate per trasportare "messaggi" tramite un
processo chimico. Il cervello umano ha circa 100 bilioni (miliardi) di neuroni.
I neuroni (le cellule nervose) hanno diverse forme e dimensioni. I neuroni più
piccoli sono grandi solo 4 micron, mentre quelli più grandi posso arrivare a 100
micron (1 micron corrisponde a un millesimo di millimetro).
I neuroni (le cellule nervose) hanno diverse forme e dimensioni. I neuroni più
piccoli sono grandi solo 4 micron, mentre quelli più grandi posso arrivare a 100
micron (1 micron corrisponde a un millesimo di millimetro).
Per certi aspetti, i neuroni sono simili alle altre cellule dell'organismo, in quanto:
1. I neuroni sono dotati di una membrana cellulare.
2. I neuroni hanno un nucleo che contiene i geni.
3. I neuroni hanno citoplasma, mitocondri ed altri "organelli".
4. I neuroni attuano processi metabolici elementari, quali la sintesi proteica e la
produzione di energia.
Cosa c'è dentro un neurone? Un neurone
ha molti degli "organelli", come mitocondri
e nucleo, che si trovano nelle altre cellule
del corpo. In particolare:
•Nucleo - Contiene il materiale genetico
(cromosomi) che conserva le informazioni
necessarie allo sviluppo della cellula ed alla
sintesi proteica, indispensabile per il
mantenimento e la sopravvivenza della cellula.
E' ricoperto da membrana.
•Nucleolo - Produce i ribosomi, necessari per la
translazione delle informazioni genetiche nelle
proteine.
•Corpi di Nissl - Gruppi di ribosomi utilizzati per
la sintesi proteica.
•Reticolo endoplasmico (RE) - Sistema di
vescicole utilizzate per trasportare materiale nel
citoplasma. Può essere dotato di ribosomi (RE
rugoso) o meno (RE liscio). Quando vi sono i
ribosomi, il RE è importante per la sintesi
proteica.
•Apparato di Golgi - Struttura costituita da
membrane, importante per l'immagazzinamento
di peptidi e proteine (compresi i
neurotrasmettitori) in vescicole.
•Microfilamenti/Neurotubuli - Sistemi di
trasporto all'interno del nurone, utilizzati anche
come supporto strutturale.
•Mitocondri - Producono energia per alimentare
le attività cellula.
Esistono varie differenze fra assoni e dendriti:
Assoni
•Portano le informazioni via dal corpo
cellulare
•La loro superficie è liscia
•Generalmente ce n'è uno solo per cellula
•Non hanno ribosomi
•Possono essere mielinizzati
•Si ramificano lontano dal corpo cellulare
Dendriti
•Portano le informazioni al corpo cellulare
•La superficie è ruvida (spine dendritiche)
•Ce ne sono generalmente molti per ogni
cellula
•Hanno ribosomi
•Non sono mielinizzati
•Si ramificano vicino al corpo cellulare
Il Neurone
Un modo di classificare i neuroni è sulla base del numero di estensioni che
originano dal suo corpo cellulare (soma).
I neuroni bipolari hanno due processi che si dipartono dal loro corpo cellulare
(come nella retina e nell'epitelio olfattivo).
Le cellule pseudounipolari (ad esempio, quelle dei gangli della radice dorsale)
hanno, in realtà, 2 assoni invece che un assone ed un dendrite. Un assone si
porta centralmente verso il midollo spinale, l'altro si porta verso la pelle o i
muscoli.
neuroni multipolari hanno molti processi che si estendono dal corpo cellulare,
ma uno solo di questi è l'assone (come i motoneuroni spinali, i neuroni
piramidali e le cellule di Purkinje).
NEURON TYPES by SHAPE I
synapse
soma
MULTIPOLAR
axon
axon hillock
preterminal
axonal branches
The vast majority of neurons
are multipolar: hence, other
criteria for classification
dendrites
BIPOLAR
Dendrites’
function
transferred
PSEUDO-UNIPOLAR
receptive
NEURON TYPES by SHAPE II
synapse
soma
axon
synapse
UNIPOLAR
There are some truly unipolar neurons
mixed in with the multipolar granule
neurons of the cerebellum’s granular
layer
soma
Neurite
Growth Cone
UNIPOLAR temporary
Neuroblasts - precursors of neurons initially extend one process (a neurite)
capped by a growth cone, before
acquiring more processses and the
axonal-dendritic distinction
TYPES OF NEURON: Criteria by
SIZE
Large - projection
Small - Stellate & Granular
SHAPE
Long axon
MULTIPOLAR
Short axon
BIPOLAR rare
PSEUDO-UNIPOLAR rare
UNIPOLAR very rare
dendritic SPINES
CHEMISTRY
POSITION
of neuron soma
Spiny vs non-spiny
Excitatory vs Inhibitory
Receptor variety
Fine-tuning (Modulation)
CNS Cortex Cerebellum Brainstem Cord
PNS Ganglia Sensory Cranial vs DRG
Autonomic: Sympathetic Parasympathetic
NERVOUS TISSUE COMPONENTS
NEURONS/NERVE CELLS
Types
SHAPE
by
SIZE
CHEMISTRY
GLIAL CELLS Types by CNS vs PNS
by ROLE
POSITION
LOCATION
&
Astrocytes - neuron support
Oligodendrocytes - myelination
Satellite cells - neuron support
Microglia - reserve MFs
Schwann cells - myelination
BLOOD VESSELS
CT WRAPPINGS
Meninges - CNS Dura Arachnoid Pia
epi- peri- endo-neurium - PNS
I neuroni sono le cellule più vecchie e più lunghe dell'organismo. I
neuroni si mantengono per tutta la vita: mentre le altre cellule muoiono
e vengono rimpiazzate, questo non si verifica per i neuroni. Da vecchi,
però, abbiamo meno neuroni che da giovani ma quelli che sono rimasti
sono comunque gli stessi di quando eravamo piccoli. Ciò nonostante,
dati pubblicati nel Novembre del 1998 hanno indicano che almeno in
una regione del cervello (l'ippocampo), nuovi neuroni POSSONO
crescere nell'uomo adulto.
I neuroni possono essere anche molto grandi. In alcuni casi, come i
neuroni corticospinali (dalla corteccia motoria al midollo spinale), i
motoneuroni o i neuroni afferenti primari (come quelli che portano
informazioni dalla pelle al midollo spinale ed al tronco dell'encefalo), si
possono raggiungere lunghezze di diverse decine di centimetri, fino al
metro e più!
Corteccia cerebrale
Corpo cellulare degli
strati profondi della
corteccia cerebrale.
Questo neurone è
chiamato piramidale,
per la sua particolare
forma.
Neuroni
della
corteccia
cerebrale
del
criceto.
Colorazio
ne di
Golgi.
Neurone
piramidale
della
corteccia
cerebrale
del
porcospino.
Colorazion
e di Golgi
Neurone della
corteccia
cerebrale del
criceto.
Colorazione di
Golgi.
CEREBRUM
1/2 one gyrus
Pia mater
I
Molecular layer
II
III
IV small stellate neurons
V pyramidal neurons
VI
Apical
dendrite
White matter
Basal
dendrites
PYRAMIDAL NEURON
Soma
Axon
Neuroni Trigeminali
Neuroni gangliari del nervo Trigemino - Le frecce indicano alcuni corpi cellulari. Il gangli
del Trigemino si trova alla base del cranio e riceve informazioni sensitive dalla faccia e
dalla bocca per ritrasmetterle al tronco dell'encefalo.
Neuroni gangliari del nervo Trigemino - le frecce rosse indicano l'esterno di
alcuni neuroni e le frecce gialle i nuclei di 2 neuroni.
Neuroni del corno ventrale (midollo spinale)
Neuroni del corno ventrale del midollo spinale - le frecce
indicano alcuni corpi cellulari. Questi neuroni danno
origine ad assoni che si portano fuori dal midollo spinale,
portandosi ai muscoli striati.
Corpo cellulare di un neurone della radice ventrale del
midollo spinale. Il neurone è stato marcato con una
sostanza chimica chiamata DiI. Questo è un esempio di
trasporto retrogrado.
Cervelletto
Neuroni del cervelletto di porcospino. Queste particolari cellule si
chiamano Cellule del Purkinje. Colorazione di Golgi.
schema delle parti fondamentali del neurone
arborizzazione
terminale
dendrite
soma o corpo
cellulare
guaina
mielinica
nucleo con
nucleolo
assone o
neurite
Corpo cellulare o soma
• Morfologia variabile:
–
–
–
–
Stellata (motoneuroni)
Piramidale (corteccia cerebrale)
Piriforme (Pukinje del cervelletto)
Sferica (gangli sensitivi)
• Nucleo:
– Voluminoso, sferico od ovoidale, centrale
– chiaro (vuoto, vescicoloso), corrispondente alla
predominio di eucromatina (elevata attività genetica)
– Nucleolo unico, voluminoso ed intensamente basofilo
(elevata attività di sintesi proteica)
Soma: componenti citoplasmatiche
• Mitocondri numerosi
(anche nei prolungamenti)
• Gogli spesso di estensione considerevole
• Sostanza di Nissl: zolle basofile che si estendono
ai dendriti (ma non all’assone)  reticolo
endoplasmatico rugoso
• Ribosomi numerosissimi
• Neurotubuli e neurofibrille
(aggregati di neurofilamenti di 10 nm)
• Centrioli quasi sempre presenti
(nonostante l’assenza di mitosi)
Classificazione dei neuroni
in base al comportamento dell’assone:
• Neuroni di proiezione (tipo I di Golgi)
– Assone di lunghezza considerevole:
– grigia  bianca 
– grigia  nervo 
• Interneuroni (tipo II di Golgi)
– Assone più breve, non entra nella bianca, non
entra in un nervo
– Si ramifica ripetutamente nell’ambito della
sostanza grigia
Potenziale transmembrana
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
- - +
+ - - - +
+ La asimmetria nella
- -70 mV distribuzione di ioni carichi elettricamente è all’origine di
una differenza di potenziale
fra i due lati della membrana
che si trova normalmente in
tutte le cellule
Membrane eccitabili
Il potenziale di membrana o voltaggio di
membrana di un neurone è rappresentato dal
simbolo Vm. Il Vm può essere misurato inserendo
un microelettrodo nel citoplasma. Un tipico
microelettrodo è costituito da un tubicino di vetro
con una punta estremamente sottile (del diametro
di 0,5 micron) che penetra nella membrana del
neurone arrecando un danno minimo. Il
microelettrodo è riempito con una soluzione
elettroconduttrice e collegato ad uno strumento
chiamato voltmetro. Il voltmetro misura la
differenza di potenziale elettrico esistente tra la
punta di questo microelettrodo ed un conduttore
(terra) posto all'esterno della cellula.
Questo metodo rivela che la carica elettrica non è
uniformemente distribuita ai lati della membrana
neuronale, ma l'nterno del neurone è
elettricamente negativo rispetto all'esterno.
Questa differenza fissa, detta potenziale di riposo,
viene mantenuta quando il neurone non genera
impulsi.
La diversa distribuzione ionica, che comporta la
presenza di diversi gradienti di concentrazione,
è dovuta all'azione di pompe ioniche presenti
nella membrana neuronale. Si è calcolato che le
pompe ioniche potrebbero essere responsabili
di circa il 70% del fabbisogno energetico del
cervello. Le pompe più importanti sono quella
sodio-potassio e quella del calcio.
POMPA SODIO-POTASSIO (figure a sinistra).
In condizioni di riposo ( in alto), la pompa:
- è aperta verso l'esterno
- ha una bassa affinità per gli ioni Na+, che
quindi si staccano
- ha una elevata affinità per gli ioni K+, che
quindi si legano
- ha un sito di legame per l'ATP (non mostrato)
libero verso l'interno
In presenza di ATP, questo si lega alla pompa,
fornendo l'energia per una sua modifica della
conformazione spaziale con conseguente:
- apertura verso l'interno
- perdita di affinità per il K+, che quindi si stacca
- acquisizione di una elevata affinità per il Na+,
che quindi si lega
Il legame dei Na+ e la perdita dei K+ determina
una ulteriore modifica conformazionale che
riporta la pompa alle condizioni originali (aperta
verso l'esterno).
Il neurone e la trasmissione di informazioni
Il potenziale di membrana dipende dalle diverse concentrazioni ioniche sui due lati della membrana.
Stime di queste concentrazioni, a riposo, sono riportate di seguito. Il fattore rilevante, ai fini funzionali, è
che K+ è più concentrato all'interno, mentre Na+ e Ca2+ sono più concentrati all'esterno.
ione
K
conc. Est.
conc. Int.
Est/Int
E
ion
5 mM
100 mM
1:20
-80 mV
Na
150 mM
15 mM
10:1
62 mV
Ca
2 mM
Cl
150 mM
+
+
2+
-
0,0002 mM 10.000:1
13 mM
11,5:1
123 mV
-65 mV
Il potenziale di equilibrio di uno ione (Eion), conoscendone la concentrazione interna ([ion]i) ed esterna
([ion]e), può essere calcolato tramite l'equazione di Nerst:
Eion = 2,303 X (RT/zF) X log ([ion]e/[ion]i)
dove:
R=costante dei gas z=carica dello ione T=temperatura assoluta F=costante di
Faraday
I canali ionici sono macromolecole proteiche che attraversano, a tutto
spessore, una membrana biologica e che consentono il passaggio di ioni, nella
direzione determinata dal loro gradiente elettrochimico. In genere, gli ioni
tendono a spostarsi da una regione a maggiore concentrazione verso una a
concentrazione minore, ma in presenza di un gradiente elettrico è possibile
che non vi sia flusso transmembranarfio di ioni, anche in presenza di un
gradiente di concentrazione. Il canale ionico può essere aperto o chiuso
modificando la differenza di voltaggio ai due lati della membrana (canali a
controllo di potenziale) o legando una sostanza chimica ad un recettore nel
canale o nelle sue vicinanze (canale a controllo di ligando). Questa distinzione,
però, non è rigida in quanto vari canali a controllo di potenziale possono
essere modulati da neurotrasmettitori o da ioni Calcio. Inoltre, alcuni canali
ionici non sono aperti da variazioni di voltaggio o da messaggeri chimici, ma
possono esserlo dallo stiramento meccanico o dalla pressione (recettori
somatosensitivi o uditivi).
la sinapsi
terminale
presinaptico
vescicole
sinaptiche
terminale
postsinaptico
Fare connessioni: le sinapsi
I neuroni hanno prolungamenti specializzati chiamati dendriti e
assoni. I dendriti portano le informazioni verso il corpo
cellulare mentre gli assoni le allontanano.
Il flusso di
informazioni
2. rilascio di
neurotrasmettitore
alla sinapsi
1. conduzione dell’impulso
lungo l’assone e i suoi
terminali
3. eccitazione o
inibizione del
neurone postsinaptico
4. potenziale d’azione
Schema dell’ultrastruttura della
sinapsi
mitocondrio
vescicola di
neurotrasmettitore
terminale
presinaptico
recettore
terminale
postsinaptico
neurotrasmettitore
rilasciato nella
fessura sinaptica
Il flusso di informazioni lungo il neurone
 Dendrite o soma
• potenziali postsinaptici
eccitatori e inibitori
 Cono di emergenza dell’assone
• Genesi del potenziale d’azione
 Assone
• Conduzione del potenziale d’azione
 Terminale presinaptico
• Rilascio di neurotrasmettitore
 Terminale postsinaptico
• Legame fra neurotrasmettitore
e recettore
The response of the postsynaptic ending to the neurotransmitter binding results in a
change in the postsynaptic cell's excitability: it will make the postsynaptic cell either
more or less likely to fire an action potential. If the number of excitatory postsynaptic
events are high enough, they will add to cause an action potential in the postsynaptic
cell and a continuation of the "message".
Many psychoactive drugs and neurotoxins can change the properties of
neurotransmitter release, neurotransmitter reuptake and the availability of receptor
binding sites.
Types of Synapses
Axodendritic Synapse
Axosomatic Synapse
Axoaxonic Synapse
Neurotransmitter Mobilization and Release
Here at the synaptic terminal (the presynaptic ending), the
electrical impulse will trigger the migration of vesicles (the red
dots in the figure to the left) containing neurotransmitters toward
the presynaptic membrane. The vesicle membrane will fuse with
the presynaptic membrane releasing the neurotransmitters into
the synaptic cleft. Until recently, it was thought that a neuron
produced and released only one type of neurotransmitter. This
was called "Dale's Law". However, there is now evidence that
neurons can contain and release more than one kind of
neurotransmitter.
Diffusion of Neurotransmitters Across the Synaptic Cleft
The neurotransmitter molecules then diffuse across
the synaptic cleft where they can bind with receptor
sites on the postsynaptic ending to influence the
electrical response in the postsynaptic neuron. In
the figure on the right, the postsynaptic ending is a
dendrite (axodendritic synapse), but synapses can
occur on axons (axoaxonic synapse) and cell
bodies (axosomatic synapse).
Modificato da "Neuroscienze", Zanichelli, 2000
Sommario sull’ultrastruttura della sinapsi
• Membrana pre- e postsinaptica
• Spazio intersinaptico (20-30 nm)
occupato da una specie di glicocalice
• Ispessimenti pre- e postsinaptici
(ricordano i desmosomi)
• Notevoli differenze nell’ultrastruttura dei
due versanti…
Bulbo presinaptico
• Assenza di neurotubuli
• Numerosissimi mitocondri
• Numerosissime vescicole sinaptiche,
(20-65 nm) rivestite di membrana unitaria
Lato postsinaptico
• Completamente assenti le vescicole
• Molti neurotubuli
Correlati funzionali dell’ispessimento delle
membrane sinaptiche secondo Gray (1969):
• Sinapsi di tipo I
– Ispessimento postsinaptico più
pronunciato di quello presinaptico
– Fessura sinaptica relativamente
ampia
Dendritiche,
eccitatorie
• Sinapsi di tipo II
– Ispessimento postsinaptico più
sottile
– Fessura sinaptica meno ampia
Somatiche,
inibitorie
regola non assoluta…
Neurotrasmettitori
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Acetilcolina
Noradrenalina o norepinefrina
Dopanima
Serotonina
Istamina
GABA
Acido glutamico, acido aspartico
Glicina
…?
I neurotrasmettitori liberati a livello presinaptico interagiscono con specifici
recettori postsinaptici. In alcune sinapsi, i neurorasmettitori si legano anche ad
autorecettori presinaptici che regolano la quantità di neurotrasmettitore che
verrà ulteriormente liberato. I recettori sono generalmente specifici per un dato
neurotrasmettitore, ma per uno stesso neurotrasmettitore possono esistere più
recettori. In alcuni casi, neurotrasmettitori correlati fra loro possono modulare
il legame di un altro neurotrasmettitore o agire sinergicamente su uno stesso
canale ionico (come nel caso del recettore per il GABA, le benzodiazepine ed i
barbiturici).
I recettori per specifici neurotrasmettitori possono essere accoppiati
direttamente ad un canale ionico (come è il caso del recettore acetilcolinico) o
possono essere accoppiati ad un enzima di membrana. In quest'ultimo caso, il
legame del neurotrasmettitore al recettore può aprire il canale ionico
direttamente tramite l'attivazione di una cascata enzimatica intracellulare
(come è il caso dell'AMPc e delle proteine G) o può modularlo i indirettamente,
influenzando la probabilità che esso si apra in risposta a variazioni di voltaggio
(neuromodulazione). Questi ultimi recettori mediano quindi effetti sinaptici
lenti..
•Acetilcolina. E' un neurotrasmettitore ampiamente
diffuso in tutto il SNC ed Autonomo e,
perifericamente, è l'unico neurotrasmettitore della
giunzione neuro-muscolare.
•Amine biogene. Comprendono le
catecolamine (noradrenalina, adrenalina e
dopamina), l'istamina e la serotonina. I
sistemi monoaminergici del SNC originano
da piccoli gruppi di neuroni del tronco
dell'encefalo che proiettano diffusamente a
tutto l'encefalo. Interessano in gran parte
anche il Sistema Nervoso Autonomo ed i
recettori sono di molti tipi, così che si hanno
azioni complesse e differenziate.
•Amine biogene. Comprendono le catecolamine (noradrenalina,
adrenalina e dopamina), l'istamina e la serotonina. I sistemi
monoaminergici del SNC originano da piccoli gruppi di neuroni del
tronco dell'encefalo che proiettano diffusamente a tutto l'encefalo.
Interessano in gran parte anche il Sistema Nervoso Autonomo ed i
recettori sono di molti tipi, così che si hanno azioni complesse e
differenziate.
Modificato da "Neuroscenze, Esplorando il Cervello", Massion, 1999
Modificato da "Neuroscenze, Esplorando il Cervello", Massion, 1999