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((LEZIONE 2: GLI IMPULSI NERVOSI, LEZIONE 4: IL SISTEMA NERVOSO CENTRALE…

- - - - L'eccitabilità dei neuroni dipende da due caratteristiche fondamentali della loro membrana plasmatica:
        
        L'esistenza di un potenziale elettrico di membrana;
        
        La presenza di canali ionici specifici.
    - - A riposo, l'interno di un neurone è elettricamente negativo mentre l'ambiente extracellulare è carico positivamente.
        
        La separazione di cariche elettriche di segno opposto è una forma di energia potenziale che si può misurare in volt.
        
        I potenziali elettrici prodotti dalle cellule sono molto più bassi e si misurano in millivolt
        
        $$(1\text{ mV} = 1/1000\text{ di volt})$$.
      - Nei neuroni, il potenziale di riposo della membrana varia tipicamente tra
        
        $$-60\text{ mV} e -70\text{ mV}$$;
        
        il segno «meno» indica che l'interno della cellula è negativo rispetto all'esterno.
        
        Il potenziale di riposo è determinato dalla diversa concentrazione degli ioni ai due lati della membrana.
        
        Il liquido interstiziale, infatti, è ricco di
        
        ioni sodio
        
        $$\text{Na}^+$$
        
        e di ioni cloruro
        
        $$\text{Cl}^-$$
        
        nel citoplasma i principali ioni positivi sono
        
        gli ioni potassio
        
        $$\text{K}^+$$
        
        mentre gli ioni negativi predominanti sono i fosfati legati a macromolecole organiche ($\text{ATP}$, acidi nucleici e proteine).
      - Nelle cellule nervose, la concentrazione del sodio e del potassio è regolata da tre proteine di membrana:
        
        i canali del potassio;
        
        i canali del sodio;
        
        la pompa sodio-potassio.
      - Il flusso di ioni potassio. Poiché la concentrazione di $\text{K}^+$ dentro la cellula è molto più alta di quella esterna, e poiché la membrana possiede moltissimi canali per il potassio, gli ioni $\text{K}^+$ diffondono all'esterno della cellula. A mano a mano che gli ioni $\text{K}^+$ escono dal citoplasma, il versante interno della membrana diventa sempre più negativo e quello esterno più positivo. Questo flusso di ioni $\text{K}^+$ è il primo responsabile dell'esistenza del potenziale di riposo. Esiste, tuttavia, un altro fattore che contribuisce a caricare negativamente l'interno della cellula: la maggior parte degli ioni negativi presenti nel citoplasma si trova legata a proteine o ad altre macromolecole troppo grandi per attraversare la membrana, quindi non è in grado di seguire gli ioni $\text{K}^+$.
      - Il flusso di ioni sodio. La permeabilità della membrana al sodio è molto bassa, perché i canali del sodio sono pochi; ciononostante, gli ioni $\text{Na}^+$ tendono a diffondere (seppur lentamente) verso il citoplasma. Se non venisse controllato, questo flusso di ioni $\text{Na}^+$finirebbe per annullare il potenziale di riposo.
      - Il ruolo della pompa sodio-potassio. Le «perdite» di $\text{Na}^+$ verso l'interno e di $\text{K}^+$ verso l'esterno vengono compensate dall'attività della pompa sodio-potassio, una proteina che trasporta attivamente gli ioni: $\text{Na}^+$ all'esterno, scambiandoli con ioni $\text{K}^+$ che riversa all'interno della cellula. Poiché agisce contro la differenza di concentrazione dei due ioni ($\text{K}^+$ che tende a uscire e $\text{Na}^+$ che tende a entrare), la pompa sodio-potassio consuma $\text{ATP}$.
      - I neuroni e le cellule muscolari sono le uniche cellule in grado di modificare il proprio potenziale di membrana; se la permeabilità della membrana agli ioni si modifica, cambia anche il valore del potenziale.
      - RICORDA: Il potenziale di riposo è dovuto alla differenza di concentrazione degli ioni ai due lati della membrana; esso varia da $-60\text{ mV}$ a $-70\text{ mV}$.
    - - Oltre ai canali ionici, nelle cellule esistono anche altri tipi di proteine canale che si comportano come «porte» capaci di aprirsi e chiudersi a comando:
        
        I canali regolati dal voltaggio, o voltaggio-dipendenti, si aprono o si chiudono in risposta a cambiamenti del potenziale di membrana;
        
        I canali regolati chimicamente si aprono o si chiudono in seguito al legame di un messaggero chimico;
        
        I canali regolati meccanicamente si aprono o si chiudono in risposta all'applicazione di una forza meccanica sulla membrana plasmatica.
      - Sulla membrana plasmatica dei neuroni sono presenti canali voltaggio-dipendenti per il sodio, per il potassio e per il calcio, importanti per la generazione e la propagazione dei potenziali d'azione. La loro apertura o chiusura determina il potenziale di membrana:
        
        se si aprono i canali voltaggio-dipendenti per il sodio, lo ione $\text{Na}^+$ diffonde all'interno della cellula rendendo meno negativo il potenziale di membrana, fino a farlo diventare positivo quando si scatena il potenziale d'azione; in questo caso la membrana si dice depolarizzata;
        
        se si aprono i canali voltaggio-dipendenti per il potassio, lo ione $\text{K}^+$ diffonde all'esterno, rendendo ancora più negativo di $-60\text{ mV}$ l'interno della cellula; in questo caso la membrana si dice iperpolarizzata.
      - RICORDA: I neuroni sono dotati di canali ionici ad accesso regolato: i canali voltaggio-dipendenti, i canali regolati chimicamente e i canali regolati meccanicamente.
    - - Il potenziale d'azione o impulso nervoso consiste in una sequenza di eventi estremamente rapidi che diminuiscono o annullano il potenziale di membrana, per poi riportarlo allo stato di riposo. Tale sequenza si attiva in seguito a uno stimolo, ovvero un qualsiasi evento in grado di modificare il potenziale di riposo della membrana. Se lo stimolo innesca una depolarizzazione superiore a un livello chiamato valore di soglia (portando il potenziale di membrana intorno ai $-50\text{ mV}$) si genera un potenziale d'azione che si trasmette lungo l'assone a una velocità di circa $2\text{ m/s}$ nei neuroni non mielinizzati e fino a $100\text{ m/s}$ lungo gli assoni mielinizzati. Per farti un'idea, considera che il record mondiale della corsa dei $100\text{ m}$ si colloca poco al di sotto dei $10\text{ secondi}$.
      - Possiamo valutare sperimentalmente i cambiamenti di polarità della membrana durante il potenziale d'azione ponendo le punte di un paio di elettrodi su entrambi i lati di un assone.
    - - Gli eventi che abbiamo appena descritto avvengono grazie a una serie di cambiamenti che modificano la permeabilità della membrana del neurone.
      - Per effetto dello stimolo, la membrana subisce una lieve depolarizzazione che si propaga fino al punto in cui l'assone emerge dal corpo cellulare (cono di emergenza). Qui sono concentrati i canali voltaggio-dipendenti per il $\text{Na}^+$.
      - Quando la depolarizzazione raggiunge il valore soglia, i canali voltaggio-dipendenti per il $\text{Na}^+$ si aprono per circa $1\text{ ms}$ (un millisecondo: $1/1000\text{ di secondo}$). Poiché la concentrazione di $\text{Na}^+$ è molto più elevata all'esterno dell'assone che all'interno, e poiché l'interno è carico negativamente, il $\text{Na}^+$ si riversa dentro l'assone innescando la fase di depolarizzazione.
      - L'ingresso di $\text{Na}^+$ provoca l'apertura di altri canali del sodio, con un effetto a feedback positivo che accentua la depolarizzazione, fino a invertire il potenziale di membrana ($\text{circa } +50\text{ mV}$).
      - Quando il potenziale di membrana raggiunge i $+50\text{ mV}$ si ha il picco del potenziale d'azione.
      - Dopo un tempo che varia tra $1$ e $2\text{ ms}$, i canali voltaggio-dipendenti per il $\text{Na}^+$ si chiudono e si aprono i canali voltaggio-dipendenti per il $\text{K}^+$. Poiché questi ultimi si aprono più lentamente e rimangono aperti più a lungo, la membrana inizia a ripolarizzarsi e il potenziale di membrana torna negativo.
      - Il flusso di $\text{K}^+$ persiste fino a quando i canali voltaggio-dipendenti rimangono aperti, generando una fase di iperpolarizzazione durante la quale il potenziale di membrana diventa ancora più negativo.
      - Quando i canali del $\text{K}^+$ si chiudono grazie alla pompa sodio-potassio, il potenziale torna al valore di riposo.
      - RICORDA: La permeabilità della membrana del neurone è influenzata da improvvise modifiche dei canali voltaggio-dipendenti per il $\text{Na}^+$ e per il $\text{K}^+$.
      - Seguendo la Figura 9 osserviamo che:
        
        a riposo, il potenziale di membrana è circa $-60\text{ mV}$;
        
        mentre il potenziale d'azione viaggia lungo l'assone, gli elettrodi registrano una fase di depolarizzazione in cui il potenziale di membrana diventa sempre meno negativo, raggiunge lo zero e poi diventa positivo ($\text{circa } +50\text{ mV}$);
        
        dopo che il potenziale d'azione ha invertito la polarizzazione, la membrana si ripolarizza e il potenziale di membrana ritorna rapidamente allo stato di riposo ($-60\text{ mV}$), dopo essersi iperpolarizzato ($-70\text{ mV}$). I valori di potenziale di membrana e potenziale d'azione non sono universali, ma variano da una specie all'altra.
      - RICORDA: In seguito a uno stimolo, il potenziale di riposo della membrana viene modificato; se lo stimolo raggiunge un certo valore di soglia si scatena un potenziale d'azione.
    - - Per trasmettere le informazioni da una parte all'altra dell'organismo, gli impulsi nervosi devono propagarsi dal punto in cui si innescano fino alla terminazione sinaptica. Questo tipo di trasmissione si chiama propagazione e funziona come quando si fa cadere la prima tessera di un domino: se la spinta è abbastanza forte, la prima tessera fa cadere la seconda e così via, propagando l'effetto lungo tutta la fila.
      - Se poniamo due paia di elettrodi in due diverse posizioni lungo un assone, possiamo registrare il potenziale d'azione che si propaga lungo la membrana.
        
        Uno stimolo elettrico provoca l'apertura dei canali voltaggio-dipendenti per il $\text{Na}^+$: quando si raggiunge il valore soglia, si genera il primo potenziale d'azione.
        
        La depolarizzazione si propaga lungo l'assone provocando l'apertura dei canali voltaggio-dipendenti per il $\text{Na}^+$ nelle zone adiacenti della membrana; di conseguenza si genera un secondo potenziale d'azione, che a sua volta ne genererà un terzo e così via.
        
        Intanto, nella zona che si era depolarizzata per prima si aprono i canali voltaggio-dipendenti per il $\text{K}^+$, che riportano la membrana al potenziale di riposo.
      - Come avrai notato, i potenziali d'azione si propagano solo in una direzione; questo avviene perché, dopo essersi richiusi, i canali voltaggio-dipendenti per il $\text{Na}^+$ vanno incontro a un periodo refrattario che dura da $1$ a $2\text{ ms}$, durante il quale non possono aprirsi di nuovo. Di conseguenza, anche se la corrente elettrica si propaga in entrambe le direzioni, nei tratti a monte dell'assone (in cui i canali per il $\text{Na}^+$ sono disattivati e i canali per il $\text{K}^+$ sono ancora aperti) non è possibile innescare un potenziale d'azione. Questo fa sì che l'impulso nervoso non possa mai «tornare indietro»; questo tipo di propagazione descritto viene detto propagazione continua ed è tipica degli assoni non mielinizzati.
      - Negli assoni mielinizzati, invece, si ha una propagazione saltatoria: l'unico punto dove può avvenire la conduzione del segnale sono i nodi di Ranvier (le zone dove la guaina mielinica si interrompe); tutto il resto dell'assone, infatti, è isolato dalla guaina mielinica. Di conseguenza, quando un impulso nervoso viaggia lungo un assone mielinizzato, la corrente «salta» da un nodo di Ranvier all'altro.
      - RICORDA: Negli assoni mielinizzati si verifica una propagazione saltatoria, ovvero la conduzione del segnale «salta» da un nodo di Ranvier all'altro.
    - - La velocità con cui si verifica la propagazione dell'impulso nervoso dipende da due fattori: il diametro dell'assone e la presenza della guaina mielinica. In generale, gli assoni mielinizzati e con diametro maggiore conducono il segnale più velocemente.
      - A metà degli anni Quaranta del secolo scorso, Alan L. Hodgkin e Andrew F. Huxley cominciarono a fare esperimenti sulle proprietà elettriche delle membrane assoniche. Con le tecniche disponibili a quel tempo, le misure necessarie potevano essere realizzate solo disponendo di un assone molto grande. Per fortuna, un assone del genere esiste in natura: si tratta del neurone gigante che controlla la risposta di fuga del calamaro, il cui assone ha un diametro compreso tra $0,5$ e $1\text{ mm}$. Hodgkin e Huxley usarono minuscoli elettrodi per misurare il voltaggio lungo la membrana plasmatica di questo assone gigante, e per far passare attraverso di esso una corrente elettrica che ne modificasse il potenziale di riposo. Modificarono anche le concentrazioni di $\text{Na}^+$ e di $\text{K}^+$ sia all'interno sia all'esterno dell'assone, misurando poi i relativi cambiamenti nel potenziale di membrana. Sulla base dei loro esperimenti, Hodgkin e Huxley furono in grado di comprendere quasi tutti i meccanismi di base della fisiologia del tessuto nervoso, e nel 1963 furono insigniti del premio Nobel. Con l'avvento di una tecnica chiamata patch clamping, oggi i neurobiologi possono registrare le correnti causate dall'apertura e dalla chiusura di singoli canali ionici.
      - Nei sistemi nervosi dei vertebrati, che presentano un numero enorme di neuroni, aumentare la velocità dei potenziali d'azione attraverso un incremento del diametro degli assoni sarebbe impossibile. I vertebrati, pertanto, incrementano la velocità degli impulsi nervosi attraverso la mielinizzazione degli assoni. Nel corpo umano, i potenziali d'azione possono viaggiare lungo un assone mielinizzato a una velocità di circa $150\text{ m/s}$; senza guaina mielinica al massimo a $5\text{ m/s}$.
      - RICORDA: La velocità di propagazione dell'impulso nervoso dipende da due fattori: il diametro dell'assone e la presenza della guaina mielinica.
    - - Indipendentemente dall'intensità dello stimolo che li ha generati, i potenziali d'azione sono sempre uguali; essi, infatti, sono eventi del tipo «tutto o nulla». Se lo stimolo induce una depolarizzazione sufficiente a raggiungere il livello soglia, i canali voltaggio-dipendenti per il $\text{Na}^+$ si aprono e si scatena il potenziale d'azione; se lo stimolo è debole, il potenziale d'azione non si innesca.
      - Il nostro sistema nervoso come riesce a distinguere uno stimolo «forte» da uno stimolo «debole»? La differenza risiede nella frequenza dei potenziali d'azione. Immagina che qualcuno ti tocchi un braccio: se stringe con forza, il cervello riceverà a ogni millisecondo un numero di impulsi molto maggiore di quanti ne riceverebbe se il tocco fosse lieve.
  - - - Il sistema nervoso dei vertebrati si forma già nelle prime settimane di vita embrionale a partire da una struttura cilindrica cava costituita da tessuto nervoso denominata tubo neurale. All'estremità anteriore, il tubo neurale si dilata formando tre vescicole chiamate rispettivamente prosencefalo, mesencefalo e rombencefalo. Da queste vescicole deriva l'encefalo, mentre dalla restante porzione del tubo neurale deriveranno il midollo spinale, i nervi cranici e spinali.
      - Il sistema nervoso centrale (SNC) comprende il midollo spinale e l'encefalo. Entrambi sono costituiti di sostanza grigia e bianca: la sostanza grigia contiene i corpi cellulari dei neuroni e i terminali dei dendriti, mentre nella sostanza bianca ci sono gli assoni, che appaiono bianchi per la presenza della mielina.
      - Il midollo spinale porta le informazioni sensoriali dalla periferia verso l'encefalo tramite le vie sensoriali ascendenti. Le informazioni sono smistate a livelli diversi in relazione al tipo di risposta che richiedono; per esempio, le risposte più semplici vengono elaborate nel midollo spinale stesso, senza arrivare all'encefalo. Le risposte in uscita sono trasferite al SNP dalle vie motorie discendenti, costituite da fasci di fibre nervose che passano per il midollo spinale.
      - L'encefalo di un adulto appare formato da due lobi appaiati sotto i quali si trovano il cervelletto e il tronco encefalico. Al suo interno i neuroni (soprattutto interneuroni e neuroni di associazione) sono organizzati così da formare ammassi di sostanza grigia chiamati nuclei, da cui partono e a cui giungono fibre mielinizzate.
      - Costituito da circa cento miliardi di neuroni, l'encefalo umano si può considerare una specie di «supercomputer» vivente; nell'adulto, esso viene suddiviso in quattro aree che hanno origine embrionale diversa e che sono coinvolte in funzioni differenti: telencefalo, diencefalo, tronco encefalico e cervelletto.
    - - Il telencefalo o cervello è costituito dai due emisferi cerebrali (destro e sinistro) uniti mediante il corpo calloso, una struttura formata da sostanza bianca, le cui fibre collegano i due emisferi. La superficie degli emisferi è caratterizzata da uno strato di sostanza grigia, la corteccia cerebrale, di circa $4\text{ mm}$ di spessore.
      - Durante lo sviluppo embrionale, la sostanza grigia corticale si accresce molto più rapidamente della sostanza bianca sottostante; di conseguenza, la corteccia si ripiega su se stessa per adattarsi alla cavità cranica forming delle pieghe, le circonvoluzioni, separate da solchi di diversa profondità, alcuni molto marcati, detti scissure.
      - Gli emisferi cerebrali svolgono un ruolo fondamentale nella percezione delle informazioni di natura sensoriale, nella loro elaborazione, nella progettazione dei movimenti, nell'apprendimento di concetti concreti o astratti, nella costruzione della memoria a breve e a lungo termine, e in generale nella programmazione di tutto ciò che rientra in un comportamento consapevole.
      - La sostanza bianca cerebrale consiste di assoni mielinizzati che trasmettono segnali da una circonvoluzione all'altra, da un emisfero all'altro (tramite il corpo calloso) e dal cervello alle altre parti dell'encefalo e al midollo spinale. In profondità all'interno di ogni emisfero si trovano tre nuclei di sostanza grigia chiamati nuclei della base, che contribuiscono alla regolazione dei movimenti e del tono muscolare; danni ai nuclei della base provocano tremore, rigidità muscolare e assenza di controllo nei movimenti.
      - Infine, il sistema limbico è la parte più profonda e antica del telencefalo: ha la forma di un «anello» che avvolge il diencefalo ed è responsabile del controllo dei bisogni fisiologici essenziali (la fame, la sete, gli impulsi istintivi, la pulsione sessuale) e della percezione di sensazioni come la paura. Al suo interno si trovano aree che, se stimolate, possono provocare sensazioni intense come il piacere, il dolore o la rabbia. L'amigdala è coinvolta nella percezione e nella memorizzazione di stati di paura. L'ippocampo svolge negli esseri umani il compito di trasferire le informazioni della memoria a breve termine in quella a lungo termine (per esempio, quando vogliamo memorizzare un nuovo numero di telefono).
    - - Il diencefalo è posizionato in profondità sotto gli emisferi cerebrali e comprende tre strutture:
        
        Il talamo è costituito da masse di sostanza grigia organizzate in nuclei intervallati da sostanza bianca. I nuclei talamici sono l'«anticamera» del cervello: essi infatti rappresentano una stazione intermedia per le vie sensoriali provenienti dal midollo spinale, dal tronco encefalico, dal cervelletto e da altre zone dell'encefalo. Il talamo dapprima suddivide i dati in categorie (per esempio, gli impulsi tattili provenienti dalla mano), elimina il «rumore di fondo» e infine invia i segnali «ripuliti» alla corteccia, dove verranno interpretati e integrati.
        
        L'ipotalamo si trova al di sotto del talamo e sopra all'ipofisi; nonostante le sue dimensioni ridotte, l'ipotalamo controlla la maggior parte delle attività corporee connesse all'omeostasi, coordinandosi con l'apparato endocrino. L'ipotalamo, inoltre, controlla le attività involontarie del sistema nervoso, regola l'attività dell'ipofisi (collegato a esso tramite il peduncolo ipofisario) e la produzione di ormoni, coopera con il sistema limbico nella produzione delle emozioni, regola i comportamenti alimentari, la temperatura corporea e i ritmi circadiani.
        
        L'epifisi o ghiandola pineale è un piccolo prolungamento del diencefalo che produce la melatonina, l'ormone che regola i periodi di attività giornalieri o stagionali in base alla quantità di luce proveniente dall'ambiente esterno.
    - - Il tronco encefalico è la parte dell'encefalo compresa tra il midollo spinale e il diencefalo; ha una lunghezza di circa $7\text{ cm}$ e lo spessore di un pollice. Si divide in tre regioni:
        
        Il mesencefalo, porzione del tronco encefalico, collega il ponte e il cervelletto con il diencefalo. Qui si trovano grossi fasci di fibre su cui viaggiano le informazioni tra il midollo spinale e le aree cerebrali superiori. I nuclei del mesencefalo comprendono il nucleo rosso e la sostanza nera, fondamentali per la regolazione del controllo dei movimenti (la degenerazione dei neuroni della sostanza nera è associata alla malattia di Parkinson).
        
        Il ponte si trova tra mesencefalo e midollo allungato; anteriormente al cervelletto, e comprende nuclei e fasci di fibre che connettono i distretti dell'encefalo.
        
        Il midollo allungato o bulbo continua con il midollo spinale. Nella sostanza bianca del bulbo si trovano tutte le vie sensoriali (ascendenti) e motorie (discendenti) che si estendono tra l'encefalo e il midollo spinale. Inoltre esso contiene numerosi nuclei, tra cui il centro cardiovascolare (che regola la frequenza e l'intensità del battito cardiaco) e il centro respiratorio (che controlla il ritmo respiratorio di base).
      - A livello del tronco encefalico si trova anche la formazione reticolare, un intreccio di neuroni e fibre nervose che contribuisce a controllare i movimenti e regola lo stato di sonno e di veglia.
    - - Il cervelletto si trova al di sotto del cervello, in posizione posteriore rispetto al bulbo e al ponte. È una struttura a forma di cupola, formata da due emisferi ricchi di circonvoluzioni: la superficie esterna è costituita di sostanza grigia, mentre la parte sottostante è formata da sostanza bianca. Il cervelletto riceve costantemente informazioni relative allo stato delle articolazioni, alla tensione dei tendini e al livello di contrazione dei muscoli. Vi giungono anche informazioni relative all'ambiente esterno, all'udito, alla vista e all'organo dell'equilibrio. Infine, esso riceve dalla corteccia cerebrale informazioni essenziali per il controllo del movimento. Il cervelletto integra tutte queste informazioni e, come un direttore d'orchestra, confronta la «partitura» programmata dalla corteccia cerebrale con l'effettiva «esecuzione» dei muscoli, suggerendo loro come interpretare al meglio il comando motorio. Ciò consente di controllare costantemente la postura del corpo e di coordinarne i movimenti senza che ne abbiamo coscienza.
    - - Nel sistema nervoso centrale sono presenti alcune cavità: il canale ependimale nel midollo spinale e quattro ventricoli a livello dell'encefalo. Due ventricoli laterali, paragonabili a fessure lunghe e strette, sono collocati negli emisferi; il terzo si trova nel diencefalo, mentre il quarto tra il bulbo e il midollo spinale. Queste cavità sono comunicanti tra loro e contengono il liquido cerebrospinale, prodotto per filtrazione del sangue dai grovigli di vasi capillari situati nelle pareti del terzo e del quarto ventricolo (plessi corioidei). Il liquido cerebrospinale ha diverse funzioni: fornisce nutrimento ai neuroni, contiene globuli bianchi e anticorpi, elimina le sostanze di scarto. Esso viene continuamente rinnovato grazie a un equilibrio tra produzione ($\text{circa } 400\text{ mL al giorno}$) e riassorbimento da parte dei vasi venosi.
      - L'encefalo e il midollo spinale sono avvolti da tre membrane di tessuto connettivo chiamate meningi: partendo dall'esterno troviamo la dura madre (la più robusta), l'aracnoide e la pia madre. L'aracnoide ha una struttura molto lassa, e lo strato tra l'aracnoide e la pia madre contiene un velo sottile di liquido cerebrospinale che protegge dagli urti.
  - - - Il sistema nervoso coordina l'attività delle diverse parti dell'organismo e ci consente di entrare in relazione con il mondo esterno.
        
        Qualunque attività svolga, il sistema nervoso opera secondo un modello ben preciso che implica tre passaggi fondamentali:
        
        L'attivazione degli organi effettori, cioè muscoli o ghiandole, che eseguono la risposta.
        
        Gli organi effettori in genere sono muscoli, volontari e involontari, che determinano quindi una risposta motoria.
        
        Sono considerati organi effettori anche le ghiandole che, come abbiamo già visto, possono rispondere ai neurotrasmettitori.
        
        La raccolta di stimoli provenienti dall'esterno o dall'interno dell'organismo attraverso i recettori sensoriali;
        
        I recettori sensoriali sono cellule o veri e propri organi, specializzati nel percepire un particolare tipo di stimolo.
        
        Recettori sensoriale esterno
        
        capaci di raccogliere stimoli fisici o chimici provenienti dall'esterno, come la luce, la temperatura ambientale o molecole che poi sono interpretate come odori.
        
        Recettore sensoriale interno
        
        registrano parametri interni come il dolore, la temperatura corporea o la posizione del corpo nello spazio, il ph.
        
        Il tempo che intercorre tra la percezione dello stimolo e la risposta nervosa è brevissimo;
        
        eppure in pochi decimi di secondo, il sistema nervoso è in grado di raccogliere e integrare una enorme quantità di dati e di mettere in atto una o più risposte puntuali e coordinate.
        
        Anche le operazioni più semplici implicano l'acquisizione di stimoli provenienti dagli organi di senso e la coordinazione di risposte motorie di un gran numero di muscoli.
        
        L'integrazione e l'analisi delle informazioni a cui fa seguito l'elaborazione di una risposta adeguata;
        
        Le cellule che svolgono le funzioni descritte sono i neuroni
        
        essi sono connessi agli organi effettori e ai recettori sensoriali grazie ai loro prolungamenti.
        
        Tutti gli organi effettori e quasi tutti i recettori sensoriali non sono costituiti da tessuto nervoso.
    - - Negli organismi più semplici, un solo neurone connette direttamente una cellula sensoriale e una cellula effettrice;
      - Un ulteriore passo avanti si osserva negli animali a simmetria bilaterale, dotati di un'estremità cefalica e di un'estremità caudale:
        
        qui la maggior parte dei neuroni si concentra in organi appositi da cui partono le fibre nervose che raggiungono effettori e recettori.
      - Nella regione del capo si concentrano anche molti organi di senso essenziali per il movimento e per le relazioni con il mondo esterno.
        
        Particolarmente importante è lo sviluppo a livello del capo di un centro di controllo più voluminoso, chiamato encefalo, che coordina tutte le attività del sistema nervoso dei vertebrati:
        
        L'encefalo, che comprende il cervello, il cervelletto e il tronco encefalico, si trova nel cranio, ha caratteristiche e dimensioni diverse da specie a specie, ma svolge sempre due funzioni:
        
        Cosa fa?
        
        Raccoglie, integrandoli, gli stimoli sensoriali.
        
        Coordina tutti i movimenti volontari;
        
        che comprende il cervello, il cervelletto e il tronco encefalico, si trova nel cranio,
        
        Questo processo prende il nome di cefalizzazione.
        
        Questo avvenne per avere risposte più veloci
        
        Questo tipo di organizzazione consente di elaborare molte informazioni producendo risposte varie e articolate.
      - nei pluricellulari, al contrario, il numero di neuroni interposti tra sensori ed effettori aumenta, e i neuroni si raggruppano formando reti interconnesse. .
        
        Si crea così un sistema nervoso primitivo
    - - Il sistema nervoso dei vertebrati, e quindi della specie humana, si divide in due parti:
        
        Il sistema nervoso centrale (SNC):
        
        è costituito dall'encefalo e dal midollo spinale;
        
        la sua funzione è ricevere le informazioni (principalmente di natura nervosa, ma anche chimica), integrarle ed elaborare le risposte.
        
        Il sistema nervoso periferico (SNP):
        
        mette in collegamento il sistema nervoso centrale con gli organi di senso e con gli organi effettori
        
        è formato dai nervi, fasci di assoni che raggiungono tutti i distretti dell'organismo, e dai gangli, costituiti da gruppi di neuroni i cui corpi cellulari si trovano al di fuori del sistema nervoso centrale.
    - - Il sistema nervoso è formato da un solo tipo di tessuto, il tessuto nervoso, che comprende i neuroni e le cellule gliali.
        
        I neuroni sono le unità funzionali del sistema nervoso. La caratteristica di queste cellule è di essere eccitabili:
        
        La maggior parte dei neuroni presenta una struttura ad albero caratteristica in cui si distinguono quattro parti funzionali:
        
        I dendriti:
        
        sono strutture più o meno ramificate, che trasportano al corpo cellulare le informazioni in entrata provenienti da altri neuroni o da cellule sensoriali.
        
        L'assone:
        
        è un singolo prolungamento su cui viaggiano le informazioni in uscita dal corpo cellulare attraverso il cono di emergenza
        
        Gli assoni sono le «linee telefoniche» del sistema nervoso:
        
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        alcuni, come quelli che dal midollo spinale arrivano fino alle dita dei piedi, possono essere anche molto lunghi.
        
        Il corpo cellulare:
        
        contiene il nucleo e la maggior parte degli organuli; dal corpo cellulare si dipartono due tipi di prolungamenti: i dendriti (quelli che ricevono lo stimolo) e gli assoni (fanno propagare lo stimolo) .
        
        mentre i corpi cellulari di tutti gli altri tipi di neuroni si trovano nel sistema nervoso centrale.
        
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        I corpi cellulari dei neuroni sensoriali si trovano nei gangli del sistema nervoso periferico,
        
        possono cioè generare segnali elettrici, chiamati impulsi nervosi o potenziali d'azione, che si propagano dal punto di origine fino alle estremità più lontane della superficie del neurone (una distanza che può essere più di un metro in un essere umano).
        
        La trasmissione dei potenziali d me d'azione è molto rapida, arriva a superare i 100 m/s (metri al secondo). Ciò rende possibile percepire i segnali, elaborarli e reagire in tempi molto rapidi.
      - Nel sistema nervoso umano, che è costituito da circa 100 miliardi di cellule nervose, i neuroni sono organizzati in reti.
        
        Queste reti comprendono tre categorie funzionali di cellule, coinvolte rispettivamente negli input (segnali in ingresso), negli output (segnali in uscita) e nell'integrazionedel tutto:
        
        Neuroni efferenti: portano i comandi del SNC agli effettori, come le ghiandole o i muscoli.
        
        Interneuroni (o neuroni di associazione):
        
        si occupano di integrare e immagazzinare le informazioni e facilitano la comunicazione tra sensori ed effettori.
        
        Neuroni sensoriali (o afferenti): conducono le informazioni dai recettori sensoriali ai centri nervosi collocati nell'encefalo e nel midollo spinale.
    - - Le cellule gliali sono molto più abbondanti dei neuroni e non conducono potenziali d'azione, ma svolgono diverse funzioni di supporto:
        
        Sostengono fisicamente e orientano i neuroni durante lo sviluppo embrionale;
        
        Forniscono ai neuroni sostanze nutritive;
        
        Mantengono costante l'ambiente extracellulare.
      - Un tipo particolare di cellule gliali, che comprende le cellule di Schwann e gli oligodendrociti, fornisce agli assoni la guaina mielinica, un rivestimento isolante che serve ad aumentare la velocità di conduzione dell'impulso nervoso (come le guaine che rivestono i fili elettrici).
        
        Nel sistema nervoso centrale la guaina mielinica è fornita dagli oligodendrociti, mentre nel sistema nervoso periferico questa funzione è svolta dalle cellule di Schwann. .
        
        Le cellule di Schwann si avvolgono diverse volte intorno agli assoni dei neuroni ricoprendoli con strati concentrici di mielina, una sostanza che conferisce ad alcune parti del sistema nervoso un aspetto bianco brillante. Alla fine, l'assone risulta ricoperto anche da cento strati
      - Intervallati lungo l'assone, tra i «manicotti» di mielina, si trovano degli spazi chiamati nodi di Ranvier dove l'assone è scoperto.
        
        Non tutti i neuroni possiedono assoni ricoperti di mielina; tuttavia, i neuroni mielinizzati conducono i potenziali d'azione circa trenta volte più velocemente di quelli non mielinizzati.
      - Altre cellule gliali chiamate astrociti, per via della loro forma caratterizzata da prolungamenti a disposizione raggiata, proteggono il cervello dalle sostanze tossiche presenti nel sangue.
        
        Questa funzione è dovuta principalmente alle caratteristiche delle cellule endoteliali che compongono i vasi del sistema nervoso centrale;
        
        diversamente dai capillari delle altre parti dell'organismo, queste cellule formano un endotelio continuo, senza spazi tra una cellula e l'altra, e sono unite da giunzioni occludenti che limitano il passaggio delle molecole idrofile o di grandi dimensioni dal sangue al fluido interstiziale.
        
        Gli astrociti forniscono il proprio contributo circondando con i loro prolungamenti i vasi sanguigni cerebrali più piccoli e permeabili, creando così un ulteriore ostacolo al passaggio delle molecole.
      - La barriera ematoencefalica, tuttavia, non è del tutto impermeabile:
        
        essa infatti lascia passare sostanze liposolubili come gli anestetici e l'alcool;
        
        il che spiega perché queste sostanze hanno un effetto così rapido e marcato. D'altro canto, essa può ostacolare la cura di determinate patologie del sistema nervoso centrale limitando la diffusione dei farmaci.
  - - - Le giunzioni neuromuscolari sono sinapsi poste tra i neuroni motori e le cellule del muscolo scheletrico da essi innervate. Le giunzioni neuromuscolari costituiscono un ottimo modello per capire come sono strutturate e come funzionano le sinapsi chimiche, che sono le più frequenti nel nostro sistema nervoso.
      - Un motoneurone possiede un unico assone ramificato all'estremità; ciascuna ramificazione è dotata di terminali assonici che formano giunzioni neuromuscolari con una cellula muscolare. Presso ogni terminale assonico si trova una struttura a forma di bottone contenente vescicole piene di un messaggero chimico detto neurotrasmettitore; tutti i motoneuroni dei vertebrati usano il neurotrasmettitore acetilcolina (ACh).
      - Nella giunzione neuromuscolare, il terminale assonico e la cellula muscolare sono molto vicini, ma non si toccano: come abbiamo visto, tra la membrana presinaptica e la membrana postsinaptica si trova uno spazio di appena $20\text{-}40\text{ nm}$ ($1\text{ nm} = 10^{-9}\text{ m}$) chiamato fessura sinaptica. L'acetilcolina rilasciata dal motoneurone nella fessura sinaptica diffonde sulla superficie della membrana postsinaptica dove si trovano sia i recettori per l'acetilcolina sia i canali ionici voltaggio-dipendenti. Attraverso la Figura 13 esaminiamo il funzionamento.
      - Il rilascio del neurotrasmettitore. L'acetilcolina, sintetizzata nel terminale assonico, si trova impacchettata in vescicole. Quando un potenziale d'azione raggiunge il terminale assonico, a livello della membrana presinaptica si verifica l'apertura di canali voltaggio-dipendenti per il calcio ($\text{Ca}^{2+}$). Poiché la concentrazione del calcio è maggiore all'esterno della cellula, esso entra per diffusione nel terminale assonico. L'improvviso aumento della concentrazione intracellulare del calcio provoca la fusione delle vescicole contenenti l'acetilcolina con la membrana presinaptica, e quindi lo svuotamento del loro contenuto nella fessura sinaptica.
      - La membrana postsinaptica reagisce al neurotrasmettitore. Una parte di acetilcolina diffonde attraverso la fessura sinaptica e si lega ai recettori dell'ACh presenti sulla membrana postsinaptica. I recettori dell'ACh sono canali ionici regolati chimicamente che si aprono in seguito al legame con il neurotrasmettitore; l'apertura dei canali ionici provoca l'ingresso di ioni positivi nella membrana postsinaptica, che si depolarizza.
      - La depolarizzazione deve raggiungere il valore soglia. Se la depolarizzazione indotta dal rilascio di acetilcolina raggiunge il valore soglia, i canali voltaggio-dipendenti per il sodio che si trovano nella membrana postsinaptica si aprono generando un potenziale d'azione. Il potenziale d'azione diffonde attraverso la cellula muscolare, provocandone la contrazione. Ma qual è la quantità di neurotrasmettitore necessaria per produrre un potenziale d'azione? Né una singola molecola di ACh né il contenuto di una singola vescicola (circa $10\,000$ molecole di ACh) sarebbero sufficienti; tuttavia un singolo terminale assonico può rilasciare per esocitosi fino a $100$ vescicole, una quantità più che sufficiente ad attivare un potenziale d'azione nella cellula muscolare.
      - I neurotrasmettitori vengono disattivati subito. Disattivare l'azione dei neurotrasmettitori è importante come attivarla; infatti, se le molecole di acetilcolina rimanessero nella fessura sinaptica, la membrana postsinaptica si saturerebbe e i recettori risulterebbero costantemente attivi. Di conseguenza, la cellula postsinaptica rimarrebbe sempre depolarizzata e non risponderebbe più ai segnali del motoneurone. Perciò la fessura sinaptica è liberata dai neurotrasmettitori poco dopo il loro rilascio da parte del terminale assonico, grazie all'azione di enzimi specifici che demoliscono il neurotrasmettitore e ne permettono il riassorbimento, o ricaptazione, oppure la dispersione nel liquido interstiziale. Numerosi farmaci e sostanze tossiche agiscono interferendo con questi meccanismi legati all'azione e alla disattivazione dei neurotrasmettitori.
      - RICORDA: La giunzione neuromuscolare è una sinapsi che si stabilisce tra i neuroni motori e le cellule del muscolo scheletrico.
    - - Nelle sinapsi elettriche, comuni negli invertebrati, il potenziale d'azione si propaga direttamente dalla cellula presinaptica alla cellula postsinaptica. Il tipo più comune di sinapsi nei vertebrati è la sinapsi chimica, che ha alcune proprietà peculiari.
      - Le sinapsi eccitatorie e inibitorie. Diversamente dalle giunzioni neuromuscolari, che sono sempre eccitatorie, le sinapsi chimiche possono essere eccitatorie (se agiscono depolarizzando la membrana postsinaptica) oppure inibitorie (se inducono l'iperpolarizzazione della membrana postsinaptica). Perché può verificarsi una situazione del genere? Ogni neurone può interagire con moltissimi altri neuroni, i cui terminali assonici formano sinapsi con il suo corpo cellulare o con i suoi dendriti. Perciò, in ogni momento, un neurone postsinaptico può ricevere input diversi da un numero straordinariamente grande di altre cellule. Ciò rende possibile la trasmissione e l'elaborazione di informazioni complesse.
      - L'integrazione degli input. Che cosa determina il momento in cui un singolo neurone attiverà un potenziale d'azione? I neuroni hanno la capacità di integrare i segnali eccitatori e inibitori che ricevono in ogni momento: quando la somma algebrica dei potenziali locali supera il valore soglia, il neurone genera un potenziale d'azione. In altre parole, ogni neurone può ricevere un migliaio di input sinaptici, ma fornisce un solo output: un potenziale d'azione su un singolo assone. Tale capacità di summazione è uno dei meccanismi principali tramite cui il sistema nervoso integra le informazioni. Nella maggior parte dei neuroni, la sommazione avviene nel cono di emergenza alla base dell'assone: qui la membrana non è rivestita di mielina e possiede molti canali voltaggio-dipendenti per il sodio. I potenziali postsinaptici eccitatori e inibitori provenienti da sinapsi a livello dei dendriti o del corpo cellulare possono diffondere fino al cono di emergenza tramite il flusso locale di corrente. Se il potenziale risultante depolarizza il cono di emergenza fino al valore soglia, viene attivato un potenziale d'azione.
      - La sommazione degli input. La sommazione spaziale integra i segnali simultanei provenienti da sinapsi poste in luoghi differenti sulla cellula postsinaptica; la sommazione temporale integra, invece, i potenziali postsinaptici generati nello stesso luogo in rapida successione.
    - - Nel nostro organismo ci sono vari tipi di neurotrasmettitori che vengono sintetizzati in modi diversi:
        
        alcuni, tra cui l'acetilcolina, vengono sintetizzati direttamente nel terminale assonico (anche se gli enzimi richiesti per la biosintesi sono prodotti nel corpo cellulare del neurone);
        
        altri, come i neurotrasmettitori peptidici, sono prodotti nel corpo cellulare e poi trasportati lungo l'assone verso i terminali assonici dentro vescicole.
      - Attualmente conosciamo più di 50 neurotrasmettitori, ognuno dei quali possiede un recettore specifico e sicuramente in futuro ne scopriremo altri. L'ACh è tra i più importanti perché è il neurotrasmettitore utilizzato nelle giunzioni neuromuscolari.
      - Nel sistema nervoso centrale, i neurotrasmettitori che si occupano dei «lavori pesanti» sono perlopiù semplici amminoacidi: il glutammato ha funzione eccitatoria, la glicina e l'acido $\gamma$-amminobutirrico (GABA) svolgono, invece, funzione inibitoria. Un altro importante gruppo di neurotrasmettitori del SNC è costituito dalle monoammine derivate dagli amminoacidi, che includono la dopamina, la noradrenalina e la serotonina che svolgono ruoli differenti come l'aumento della frequenza cardiaca o la regolazione dei ritmi circadiani.
      - Anche due gas, il monossido di carbonio ($\text{CO}$) e il monossido di azoto ($\text{NO}$), sono usati come messaggeri, ma anziché venire accumulati in vescicole, sono sintetizzati «al bisogno» e diffondono alle cellule circostanti.
      - Indipendentemente dal tipo di neurotrasmettitore utilizzato, tutte le sinapsi chimiche hanno una particolarità in comune: l'impulso elettrico si può muovere in una sola direzione, perché la membrana presinaptica ha una struttura diversa da quella postsinaptica. Le sinapsi pertanto garantiscono che il segnale venga trasmesso sempre nella medesima direzione, senza che vi sia alcuna possibilità di invertire il percorso.