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Vista laterale di cervello umano
Organizzazione del
Sistema Nervoso Centrale
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Corteccia cerebrale: 6 strati, diversi tipi neuronali.
Funzioni: processamento sensoriale, programmazione dei movimenti volontari, interfaccia sensorio-
motoria, apprendimento e memoria, attività cognitive.
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Cervelletto: 3 strati, diversi tipi neuronali.
Funzioni: controllo delle attività motorie, coordinazione del movimento, apprendimento motorio,
movimenti oculari.
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The Neuron
Figure 12.4
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Dendritic Spines
Dendrites – Extensively branching from
the cell body
– Transmit electrical signals(graded potentials) towardthe cell body
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Axon
– Neurofilaments, actinmicrofilaments, and
microtubules• Provide strength along
length of axon
• Aid in the transport of
substances to andfrom the cell body
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Oligodendrociti
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Fattori neuronali che favoriscono la mielinizzazione
Interazioni da contatto
Diametro dell’assone - almeno 0,2 μm. I l r apporto tra diametro assonale e numero di
avvolgimenti ècostante.
Molecole di adesione - Interazione tra laminina (sull’assone) e integrine (sull’oligodendrocita)
Attività elettrica
Oligodendrociti
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Impulse activity in axons regulates oligodendrocyte development and myelination at several stages and via different signals.
(A) Immature OPCs (NG2+ cells) in white matter on an electrically silent unmyelinated axon. Such cells persist in significant numbers in the adult brain.(B) Electrical activity causes ATP release from axons, which generates adenosine that stimulates differentiation of NG2 cells to a mature oligodendrocyte, and
promotes myelination. K+ is released from electrically active axons. Blocking K+ channels in oligodendrocytes in culture has been shown to regulate
oligodendrocyte proliferation and lineage progression .
(C) Electrical activity can also alter the expression of cell adhesion molecules on the axon that are involved in initiating myelination . This has been shown to
regulate myelination by Schwann cells in the PNS, but the same molecule (L1-CAM) is involved in myelination by oligodendrocytes.
D) The release of the neurotransmitters Glu (glutamate) or GABA from synapses formed on NG2 cells could provide another mechanism to regulate myelination
in response to functional activity.
(E) After NG2 cells differentiate into oligodendrocytes, ATP released from axons firing action potentials stimulates the synthesis and release of the cytokine LIF
from astrocytes, which promotes myelination. Myelination during development and postnatally may be regulated by several other unidentified activity-dependent
signaling molecules affecting development of oligodendrocytes and myelin formation. Electrical activity in axons, via the release of neurotransmitters, ions and ATP may influence gene expression in oligodendrocytes by histone modification, RNA transport, local translation and regulate mRNA stability and translation by
miRNAs.
Oligodendrociti
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La sclerosi multipla
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• È una malattianeurodegenerativa concomponente autoimmuneche colpisce la sostanza
bianca del sistema nervoso
centrale.• Le lesioni sono localizzate a
livello delle guainemieliniche che rivestono i
nervi.• La perdita di mielina portaad un rallentamentodell’impulso nervoso e allacomparsa di “placche”.
• Le placche sono aree privedi mielina.
La sclerosi multipla
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Astrociti
Funzioni:
- Regolazione [ioni]extracellulare
- Detossificazione xenobiotici- Regolazione efficacia sinaptica
- Inattivazione neurotrasmettitori
- Induzione e mantenimento BBB
- Induzione e mantenimento glia limitans
- Supporto trofico per neuroni e oligodendrociti
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Astrociti
(materia grigia) (materia bianca)
Type 1 astrocyte Type 2 astrocyte
Classificazione anatomica
Classificazione per lineage e
fenotipo antigenico
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Astrociti Dalla zona ventricolare del tubo neurale origina la glia
radiale.
La glia radiale si trasforma in astrociti alla fine del
periodo di sviluppo.
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La comunicazione tra neuroni
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Nella membrana plasmatica sono presenti canali voltaggio-dipendenti (si aprono con depolarizzazione).
Essi sono specifici per lo ione Na+ o per lo ione K+.
Il canale Na+ ha un cancello di apertura ed uno di inattivazione.
Il canale K+ ha solo un cancello di apertura.
Potenziale di azione
Con un elettrodo inserito all’interno della cellula ed un elettrodo di riferimento extracellulare collegati ad un
voltmetro, si registra una differenza di potenziale ai due lati della membrana.
In un neurone a riposo, tale potenziale è di circa -70 mV
Il potenziale di riposo è dovuto alla presenza di anioni proteici non diffusibili localizzati all’interno della
cellula …e ad una diseguale distribuzione di ioni Na+ e K+ ai due lati della membrana dovuta al lavoro
della pompa Na+ / K+ con bassa conduttanza della membrana per il Na+ e alta conduttanza per il K+.
In seguito ad una depolarizzazione (per es. dovuta ad attivazione sinaptica), alcuni canali Na+ si aprono,
determinando l’entrata di una certa quantità di ioni Na+.
La membrana subisce pertanto una depolarizzazione che porta il potenziale di membrana verso la soglia
Se la depolarizzazione iniziale determina il raggiungimento della soglia, avremo apertura di un maggior
numero di canali Na+ e innesco del fenomeno autorigenerativo.
A causa dell’improvviso ed ampio aumento della conduttanza al Na+ causato dal fenomeno
autorigenerativo, la membrana si depolarizza molto velocemente, ed il potenziale di membrana tende
verso il potenziale di equilibrio del Na+.
Tuttavia, il potenziale di membrana non raggiunge il potenziale di equilibrio del Na+ (+60 mV) a causa di
due fenomeni:
1) L’apertura di canali per il K+ (cinetica lenta rispetto a quelli del Na+), con conseguente uscita di K+;
2) La progressiva inattivazione dei canali Na+.
L’entrata di Na+ si è arrestata a causa dell’inattivazione dei canali Na+. Attraverso i canali K+ (ora aperti)
escono dalla cellula ioni K+.Questo efflusso di cariche positive determina la ripolarizzazione della membrana:
Poiché, in questo momento, la conduttanza al K+ è alta, il potenziale di membrana tende a Ek (-90 mV):
La ripolarizzazione determina quindi la chiusura dei canali K+ ...
… ed il ritorno del potenziale di membrana al valore di riposo.
Infine, abbiamo il ritorno allo stato chiuso (non inattivato) dei canali Na+.
A questo punto, anche se il potenziale di membrana è tornato su valori di riposo, deve comunque essere
ripristinata la normale distribuzione degli ioni Na+ e K+ (infatti, l’interno della cellula contiene una grande
quantità di Na+, mentre ha perso molti ioni K+, che sono abbondanti all’esterno).
La pompa Na+ / K+ (ATPasi Na+ / K+ dipendente) porta all’interno ioni Na+ ed espelle ioni K+ con
conseguente ristabilirsi dei gradienti.
Canale K+
voltaggio-dipendente
Canale Na+
voltaggio-dipendente
Ione Na+
Ione K+
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Conduzione
saltatoria
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Sinapsi chimica
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Ril i d l t ttit F i di SNARE
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Rilascio del neurotrasmettitore: Formazione di SNARE
*Sinaptotagmina
Sinaptobrevina
Sinaptofisina
Sintaxina
nSec 1
SNAP 25
Ca2+
Docking
Priming Fusion
*La sinaptotagmina
lega gli ioni Ca++
La secrezione di neurotrasmettitore richiede circa 200 μsec (tempo minimo).
Le vescicole sono già posizionate in maniera opportuna quando si forma il
complesso SNARE.
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Sinapsi chimiche Neurotrasmettitore Recettore
Trasduzione del segnale
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Canali a controllo
di ligando
Legame di ACh
Apertura del canale
Na+ in
K+ out
Depolarizzazione
(potenziale di placca)
Canali a controllo
di potenziale
Apertura canali Na+
Na+ in
Depolarizzazione
Risultato:
potenziale di azione
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PdA
Na+
K+
Na+
Recettore nicotinico
dell’acetilcolina
Canale Na+
voltaggio-dipendente
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GDP
s
b g
GDP GDP
s
b g
GTP GTP GTP GTP
ATP cAMP
Pi GDP GDP
Adenilato
ciclasi Adenilato
ciclasi
Trasmettitore
(noradrenalina)
Recettore
(b adrenergico)
s s
b g
Sistema cAMP
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cAMP
Adenilato
ciclasi
ATP
AMP
Fosfodiesterasi
Proteina chinasi
Subunitàcatalitica(inattiva)
Subunità regolatoria
Subunitàcatalitica(attiva)
cAMP cAMP
cAMP cAMP
Proteina
inattiva ProteinaP
attiva
Proteina fosfatasi
Risposta cellulare
Azione del cAMP Il cAMP attiva la proteina chinasi,
la quale innesca una cascata
di fosforilazioni, con conseguente
attivazione (o disattivazione) di
proteine che determinano la
risposta cellulare
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Sistema inositolo trifosfato / diacilglicerolo
Recettore
muscarinico
ACh
GDP
o
b g
Fosfolipasi C
(PLC)
Fosfatidil
inositolo
DAG
Proteina chinasi regolatoria catalitica
IP3 Calmodulina
ProteinaP
Ca++
Risposta cellulare
Ca++
Proteina
ProteinaP
Proteina
Reticolo endoplasmatico
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Risposte cellulari
K+
Adenilato
ciclasi
GDP
K+
Adenilato
ciclasi
GTP
ATP cAMP
P
ACh
PEP
Rec 50 msec
1 min
M difi i i d ll’ i i
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K+
Adenilato
ciclasi
GTP
ATP cAMP
P
A C C G T
PTrascrizione
mRNA
Proteina
Modificazioni dell’espressione genica
Nucleo
Enhancer Promoter Regione codificante
RNA
Pol
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PdA
Ca++ Vm
Registrazione da elemento
post-sinaptico
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INIBIZIONE PRESINAPTICA
Vm
Registrazione da elemento
post-sinaptico
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PdA
Ca++ Vm
INIBIZIONE PRESINAPTICA
Registrazione da elemento
post-sinaptico
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PdA
Ca++
Vm
FACILITAZIONE PRESINAPTICA
Registrazione da elemento
post-sinaptico
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Integrazione neuronale
1011
Neuroni
1014 sinapsi
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Vm
EPSP
Vm
EPSP
Vm
IPSP
20 msec
1 min
Vm
IPSP
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Propagazione elettrotonica dei potenziali graduati
Integrazione neuronale S i t l
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Integrazione neuronale Sommazione temporale
• La sommazione temporale permette l’integrazione di
potenziali postsinaptici consecutivi generati alla
stessa sinapsi.
• Proprietà passive della membrana:
costante di tempo (τau). Dipende dalla capacità di
membrana. Indica quanto tempo il potenziale permane
sulla membrana prima di subire un decremento pari a
una data percentuale del suo valore iniziale.
Tau: 10 ms
Tau: 1 ms
Integrazione neuronale
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Integrazione neuronale
Sommazione spaziale
• La sommazione spaziale permette l’integrazione di potenziali postsinaptici generati in parti
diverse di un neurone.
• Proprietà passive della membrana:
costante di spazio (
). Indica quanto
spazio percorre il potenziale prima
di subire un decremento pari a una
data percentuale del suo valore
iniziale.
• Le sinapsi vicine alla zona di integrazione hanno importanza maggiore di quelle distanti:
Ra
Rm
= Ra
Rm
Le sinapsi inibitorie sono dinorma vicine alla zona di
integrazione (soma o dendriti
prossimali) ed esercitano il
controllo dell’eccitabilità
cellulare in un punto strategico.
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Unità
funzionale
SNC
Corteccia motoria primaria
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Cute
Muscolo
Talamo
Via efferente
Viaafferente
Corteccia sensoriale
primaria
Sistemi sensoriali e motoricooperano per l’espressione del comportamento
MOTIVAZIONE
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Riflessi muscolari scheletrici
• Determinano la lunghezza dei muscoli scheletrici
• Influenzano il tono muscolare e la postura
Radici dorsali
Radici ventrali
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Brain
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Brain development
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Space restrictions force cerebral hemispheres to growposteriorly over rest of brain, enveloping it
Cerebral hemispheres grow into horseshoe shape (b and c)
Continued growth causes creases, folds and wrinkles
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Midbrain
Spinal cord Pons
Medulla oblongata
Forebrain
Cerebrum
Thalamus
Hypothalamus
Pituitary gland
Brainstem
Diencephalon
Cerebellum
Corpus
callosum
(c) Midsagittal section
Brain: Midsagittal View
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Premotor cortex
(coordinates
voluntary
movements)
Primary somatosensory
cortex (somesthetic sensations
and proprioception)
Sensory association
areas (integration of
sensory information)
Primary motor cortex
(voluntary movement)
Central sulcus
Prefrontalassociation
areas (idea and
plan for voluntary
movement, thoughts,
personality)
Broca’s area (speech formation)
Limbic association
cortex (emotions,
learning, and memory)
Olfactory cortex
(smell)
Visual association
areas (higher vision
processing)
Wernicke’s area
(language
comprehension)
Auditory
association
areas
Primary auditory
cortex (hearing)
Primary visual cortex
(vision)
Functional Areas of CerebrumFunctional Areas of Cerebrum
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Topographical Organization: Motor
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Topographical Organization: Sensory