IL SISTEMA NERVOSO

1. IL SISTEMA NERVOSO

2. IL SISTEMA NERVOSO Il Sistema Nervoso è un complesso insieme di organi e strutture che rappresenta evolutivamente la più grande conquista della vita. E’ il sistema che coordina le funzioni di tutto l’organismo, che permette la percezione di stimoli dall’esterno, un’elaborazione di questi ed una reazione da parte dell’organismo.

3. SNC e SNP Il Sistema Nervoso è suddiviso in due parti: • Il Sistema Nervoso Centrale (SNC), costituito dall’encefalo e dal midollo spinale; • Il Sistema Nervoso Periferico (SNP), costituito dai gangli e dai nervi fuoriuscenti dal SNC (12 paia dal cranio e 31 paia dal midollo spinale); A seconda del suo funzionamento, può essere suddiviso in • volontario, cioè controllabile dalla volontà (come quello che innerva la muscolatura scheletrica); • autonomo, cioè indipente dalla volontà (come quello che innerva gli organi interni); La cellula fondamentale del Sistema Nervoso è il neurone, ma ne fanno parte anche altre cellule, come le cellule della Glia, che hanno importanti funzioni trofiche, di sostegno e di protezione.

4. Sistema Nervoso e Ambiente Esterno • La cellula nervosa, il neurone, ha due caratteristiche peculiari e fondamentali che la differenziano dalle altre cellule e che consentono al Sistema Nervoso di svolgere le sue funzioni: • L’Irritabilità, cioè la capacità di percepire stimoli esterni e di trasformarli in impulsi nervosi • La conducibilità, cioè la capacità di trasmettere ad altre cellule nervose l’impulso nervoso Percezione Reazione Rielaborazione

5. IL NEURONE La cellula fondamentale del Sistema Nervoso è il Neurone. Il cervello umano ha circa 100 bilioni (miliardi) di neuroni che hanno diverse forme e dimensioni. I neuroni più piccoli sono grandi solo 4 micron, mentre quelli più grandi posso arrivare a 100 micron. Esistono tre tipi diversi di neuroni, di moto, di senso e associativi, ognuno con propria forma e funzioni specifiche; nonostante ciò, si può generalizzare la suddivisione del neurone in tre parti distinte: assone, pirenoforo o soma e dendriti.

6. L’impulso nervoso viene condotto in modo centripeto dai dendriti, che cioè trasmettono soltanto dall’esterno della cellula verso l’interno, e in modo centrifugo dall’assone, cioè solamente dall’interno della cellula verso l’esterno. 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

7. CONDUZIONE DELL’IMPULSO Molto di quello che sappiamo sul modo di funzionare dei neuroni proviene da studi effettuati sull'assone gigante di calamaro. Si tratta di un assone che va dalla testa alla coda del calamaro ed è usato per muoverla. Può arrivare fino ad 1 mm di diametro, e quindi ad essere ben visibile anche ad occhio nudo. La conduzione dell’impulso attraverso un neurone avviene attraverso processi elettrochimici; il neurone è dotato di una mebrana semipermeabile agli ioni (carichi elettricamente), e di “pompe e canali” che ne regolano la concentrazione. In condizioni normali, quando cioè non deve avvenire la conduzione dell’impulso, tutti i meccanismi tendono ad un equilibrio, che porta la concentrazione di ioni negativi all’interno della cellula ad essere maggiore di quella esterna, e la membrana assume un potenziale negativo: Questo è il potenziale di riposo, equivalente a -70 mV

8. Quando la cellula deve condurre un impulso, i meccanismi di controllo della concentrazione degli ioni modificano il potenziale della membrana, facendo cambiare il potenziale della membrana, fino al potenziale di azione, pari a +30mV; questo potenziale si propaga lungo la cellula, passando per l’assone ed arrivando alla sinapsi (o alla placca motrice se il neurone porta gli impulsi ad un muscolo) dove lo stimolo sarà trasmesso al successivo neurone. L’impulso viene condotto in modo diverso dai dendriti e dal soma rispetto all’assone; inoltre, vi è una forte differenza tra la velocità di conduzione negli assoni di fibre mieliniche e non mielinche.

9. Conduzione negli assoni mielinizzati La mielina è una sostanza prodotta da alcune cellule gliali (oligodendrociti nel SNP e cellule di Schwann nel SNC) che ricoprono alcuni assoni facilitando la conduzione dell’impulso. Negli assoni ricoperti da mielina la conduzione è molto più veloce, sia perchè essa funge da isolante, sia perchè lascia scoperte solo alcune parti dell’assone (strozzature di Ranvier), rendendo sufficiente la depolarizzazione dell’assone solo in quei punti, con una conduzione quindi saltatoria dell’impulso nervoso, più veloce e con meno dispendio energetico da parte della cellula per creare la ddp. Inoltre alcuni tipi di fibre nervose (più grandi) conducono più velocemente di altre (grafico a destra).

10. LA SINAPSI La struttura che collega l’assone di un neurone al neurone successivo è la sinapsi; sebbene esistano sinapsi di due tipi, chimiche o elettriche, l’evoluzione ha decretato la vittoria delle prime sulle seconde, soprattutto nei Mammiferi, grazie alla loro maggiore versatilità. Quando l’impulso nervoso giunge alle ramificazioni terminali dell’assone, modificando il potenziale di membrana, si aprono i canali di controllo degli ioni Ca++ che penetrano nella terminazione nervosa, andnando ad agire su vescicole nei bottoni sinaptici. I bottoni sinaptici rilasciano neuromediatori, cioè sostanze solitamente di tipo amminico o aminoacidico, che vanno a legarsi allo specifico recettore posto sul neurone postsinaptico, determinando una reazione che porta alla modificazione del potenziale di membrana, e quindi alla propagazione dell’impulso nervoso.

11. LA SINAPSI IONI Ca++ Nella figura è evidenziata la sinapsi; ovviamente la membrana postsinaptica è posta su di un altro neurone, qui non mostrato per comodità. RECETTORI IONI Na++ BOTTONI SINAPTICI POSTSINAPTICA MEBRANA SINAPSI NEUROMEDIATORI CANALI IONI Ca++ CHIUSI CANALI PER GLI IONI Na++CHIUSI IONI Ca++ IONI Na++

12. LA SINAPSI IONI Ca++ Quando arriva l’impulso elettrico, si verifica una variazione di potenziale nella membrana sinaptica, che provoca l’apertura dei canali per gli ioni Ca++. RECETTORI IONI Na++ BOTTONI SINAPTICI POSTSINAPTICA MEBRANA IMPULSO SINAPSI NEUROMEDIATORI CANALI IONI Ca++ APERTI CANALI PER GLI IONI Na++CHIUSI IONI Ca++ IONI Na++

13. LA SINAPSI IONI Ca++ Gli ioni Calcio entrano nella terminazione, provocando il rilascio dei neuromediatori, che entrano nello spazio sinaptico. RECETTORI IONI Na++ BOTTONI SINAPTICI POSTSINAPTICA MEBRANA SINAPSI NEUROMEDIATORI CANALI IONI Ca++ APERTI CANALI PER GLI IONI Na++CHIUSI IONI Ca++ IONI Na++

14. LA SINAPSI IONI Ca++ I neuromediatori si legano ai recettori di membrana postsinaptica, provocandone l’apertura di canali per gli ioni Na++ che penetrano nel neurone provocando la ddp che dà luogo all’impulso. RECETTORI IONI Na++ BOTTONI SINAPTICI POSTSINAPTICA MEBRANA IMPULSO SINAPSI NEUROMEDIATORI CANALI IONI Ca++ APERTI CANALI PER GLI IONI Na++APERTI IONI Ca++ IONI Na++

15. LA SINAPSI Il meccanismo prima descritto vale per stimoli eccitatori. La sinapsi può anche inibire il neurone postsinaptico; alcuni neuromediatori determinano l’ingresso di ioni Cl- o la fuoriuscita di ioni K+ da questo, iperpolarizzandone la membrana in modo che richieda uno stimolo assai maggiore per essere eccitato, in quanto lo stimolo di soglia precedente ora non sarebbe più efficace. I neuromediatori, una volta esaurito il loro effetto, vengono demoliti oppure riassorbiti per endocitosi. E’ importante notare la specificità dei recettori per i rispettivi neuromediatori, che possono perciò essere interessati dall’azione di molecole antagoniste o competitrici (è il meccanismo con cui funzionano molte droghe, ma anche veleni e tossine).

16. I NEUROMEDIATORI I neuromediatori sono le sostanze che il neurone presinaptico rilascio nello spaziio sinaptico perchè si leghino ai recettori sul neurone postsinaptico e trasmettano l’impulso. I biologi hanno messo a punto una serie di criteri per classificare una sostanza come neuromediatore: -Deve essere prodotta all’interno del neurone -Deve essere rilasciata quando il neurone viene stimolato -Quando rilasciata, deve agire sul neurone postsinaptico -Deve essere inattivata una volta che ha avuto effetto (demolizione o reuptake) -Se applicata sul neurone postsinaptico artificialmente, deve agire come se fosse rilasciata dal neurone presinaptico. Il neuromediatore più conosciuto è l’acetilcolina, che può essere ritrovato sia nel SNC che nella placca motrice.

17. La lista di neuromediatori è lunga e varia, ed essi sono di varia origine: se l’acetlicolina deriva dall’esterificazione dell’acido acetico con la colina (cioè con formazione di un legame in cui un gruppo O-OC fa da ponte), il gruppo delle ammine biogene deriva da reazioni di decarbossilazione di aminoacidi (cioè formazione del legame con perdita di una molecola di anidride carbonica); moltissimi neuromediatori contengono idrocarburi alcheni ciclici (fra i precedenti le ammine biogene) e buona parte anelli benzenici (fra le ammine la serotonina e la dopammina ad esempio). Altri neuromediatori conosciuti sono le catecolamine (caratterizzate da una struttura detta catecolo, composta da un anello benzenico a cui su due carboni contigui legati tra loro con legame doppio sono legati un gruppo OH a testa), di cui fa parte la noradrenalina, il mediatore delle situazioni di emergenza, e il corrispettivo ormonale, l’adrenalina. Anche alcuni aminoacidi sono neuromediatori, alcuni di quelli che non prendono parte alla costituzione di proteine (come il GABA, n. inibitore), altri che invece possono farlo (ad es. la glicina); uno dei neuromediatori più importanti di questo gruppo è l’ossitocina. Un gruppo a parte è costituito da encefaline e endorfine, sostanze che hanno una fortissima influenza sul comportamento della persona, e i cui recettori interagiscono facilmente con sostanze oppiacee.

18. LA CHIMICA DEL COMPORTAMENTO Lo studio dei neuromediatori e dei loro effetti possono essere definiti lo studio della chimica del comportamento; se è sbagliato ridurre una tematica complessa quale il comportamento dell’essere umano ad una serie di rezioni chimiche sinaptiche, è tuttavia assolutamente innegabile scientificamente che il comportamento, il pensiero, le emozioni portino alla produzione e al rilascio di determinati neuromediatori, i quali sono i principali responsabili dello stato d’animo di una persona, e nel contempo il prodotto. Così come uno stress improvviso comporta il rilascio di noradrenalina nel SNC e di adrenalina in tutto il corpo, che aumenta il battito cardiaco el’afflusso di sangue ai muscoli preparando il corpo alla reazione, così ad ogni stimolo esterno il SN risponde con la produzione e la liberazione di determinati neuromediatori. In questa ottica possono essere intepretati atteggiamenti, stati d’animo, anche patologie: una depressione cronica può indicare ad esempio una scarsa produzione di serotonina, che può essere causata da un approccio pessimistico alla vita ma che a sua volta potrebbe esserne la causa. Molte delle sostanze che influiscono sul funzionamento del SN e del comportamento agiscono proprio nelle sinapsi, interagendo, sostituendo, a volte bloccando determinati neuromediatori.

19. L’alcol L’alcol è un esempio delle sostanze che, agendo sul sistema nervoso, hanno effetti sul comportamento. L’alcol ha un’azione particolarmente efficace perchè la sua piccola molecola solubile in acqua e nei lipidi si immette facilmente nella circolazione sanguigna e passa inoltre la barriera ematoencefalica (composta dagli astrociti). L’alcol nel SN comporta l’aumento del riassorbimento della dopamina, decresce la trasmissione nelle fibre ad acetilcolina (causando il rallentamento dei riflessi), stimola il rilascio di GABA (un neuromediatore inibitore, che dà la sensazione generale di torpore) e la produzione di beta-endorfine nell’ipotalamo (altamente analgesiche). A basse dosi, l’alcol causa rilassamento, diminuzione delle inibizioni, riduzione dello stress, calo della concentrazione, riduzione dei tempi di risposta, della velocità dei riflessi, della coordinazione; a dosi più alte porta a difficoltà nel parlare, alterazione delle emozioni, malessere; a dosi molto elevate, dà vomito, difficoltà respiratorie, incoscienza e coma. L’alcolismo cronico ha effetti devastanti sul cervello: ne danneggia i lobi frontali, ne riduce il volume totale, e impedisce l’assorbimento di vitamina B1 con conseguenti problemi alla memoria e alla coordinazione. L’alcol passa inoltre facilmente la placenta, andando a danneggiare gravemente il feto.

20. La Caffeina La caffeina è uno stimolante del sistema nervoso centrale. A grandi dosi è letale (ma si dovrebbero bere un centinaio di caffè di seguito). In dosi moderate, aumenta la soglia di attenzione, riduce la coordinazione nei movimenti precisi, altera i ritmi sonno-veglia, causa nervosismo e mal di testa. L’effetto della caffeina inizia circa 15 minuti dopo l’assunzione tramite alimenti; dopo di ciò, la sua demolizione è molto lenta, e dopo sei ore solo una metà circa della dose assunta è stata demolita. La caffeina interviene in varie zone del SN, e interferisce con l’azione dell’adenosina nel cervello. La caffeina può causare dipendenza fisica, e tipici sintomi di astinenza sono mal di testa, affaticamento e dolori muscolari. La caffeina non contrasta in nessun modo l’azione dell’alcol, perciò la credenza che far bere del caffè ad una persona ubriaca possa giovarle è errata; inoltre è inclusa fra le sostanze proibite agli atleti alle olimpiadi, in dosi che richiederebbero l’assunzione di circa cinque tazze di caffè.

21. Nicotina e Mariuana La nicotina, assunta per lo più tramite le sigarette, agisce molto velocemente; arriva al cervello otto secondi dopo l’inalazione. L’azione della nicotina dipende molto dallo stato d’animo del fumatore, e può essere sia stimolante che rilassante. Agisce sul SNC e sul SNP, aumenta la pressione sanguigna, restringe le arterie, aumenta la respirazione. Alcune aree del sistema limbico che usano la dopammina come neuromediatore sono influenzate dalla nicotina, e ne determinano la dipendenza; l’astinenza può causare ansietà, depressione, mal di testa e fatica. “Smettere di fumare è la cosa più facile del mondo”, disse Mark Twain; “l’avrò fatto mille volte”. Malattie legate al fumo causano negli USA almeno una morte su cinque. La mariuana (tetraidrocannabinolo) agisce su aree del cervello legate alla memoria, alla concentrazione, alla percezione e al movimento. E’ un allucinogeno, che a dosi moderate dà rilassamento, sonno, riduzione della coordinazione e della pressione sanguigna, drastico calo di concentrazione e alterazione nella percezione di spazio e tempo; in dosi più alte causa allucinazioni, disorientamento, difficoltà di memoria e delusione. Non ci sono prove che la mariuana causi dipendenza (almeno fisica) nè sono registrati casi di overdose, tuttavia l’assunzione tramite fumo comporta l’aumento del rischio di cancro.

22. Neurotossine Le neurotossine sono sostanze altamente tossiche, veleni che agiscono sul Sistema Nervoso, spesso con conseguenze fatali. Ne sono esempi la tossinabotulinica, prodotta da batteri che inquinano scatolame e generi alimentari guasti, la quale blocca il rilascio di acetilcolina, causando paralisi progressiva e morte per paralisi del sistema respiratorio; l’apamina, il veleno delle api, blocca i canali potassio delle cellule; la batratossina, prodotta da alcune specie di rospi, la sostanza usata da alcune tribù per avvelenare le frecce, impedisce la chiusura dei canali sodio; la latrotossina, il veleno della vedova nera, causa rilascio forzato di acetilcolina; la cobrotossina blocca i recettori dell’acetilcolina.

23. I Nervini I Nervini sono agenti gassosi simili ad “insetticidi” che hanno effetti letali sull’uomo; nel 1995 in un attentato che portò all’immisione di gas nervino nella metropolitana di Tokyo morirono 12 persone e 5000 furono ferite. I nervini possono agire tramite il Sistema Respiratorio o tramite la pelle; nel primo caso uccidono in circa un quarto d’ora, nel secondo in uno o due minuti. I primi nervini furono inventati durante la Seconda Guerra Mondiale in Germania; le dosi a cui risultano letali sono molto basse: ad esempio, per il VX, basta che ne vengano a contatto con la pelle 10 mg (per capire la dose, è meno del peso di un grano di riso). Solitamente i nervini sono incolori, trasparenti e spesso inodori, ma solitamente più densi dell’aria. Agiscono impedendo la demolizione dell’acetilcolina una volta che questa sia legata al recettore, causandone un’azione continua su di esso. L’avvelenamento porta a contrazioni involontarie, paralisi, diarrea, vomito, mal di testa, convulsioni, coma, arresto respiratorio e quindi morte.