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Cosa imparerai a fare: identificare le strutture di base di un neurone, la funzione di ogni struttura, e come i messaggi viaggiano attraverso il neurone

Figura 1. Neurone in coltura di tessuto.

Vi siete mai chiesti come funziona veramente il vostro cervello? Cosa succede esattamente all’interno della tua piccola massa rugosa mentre leggi questo testo? In questa sezione, imparerai le basi della comunicazione neurale nel cervello, che è il modo in cui il cervello invia messaggi da e verso diverse regioni per trasmettere informazioni critiche sul tuo corpo e sull’ambiente circostante.

Glia e neuroni sono i due tipi di cellule che compongono il sistema nervoso. Mentre la glia generalmente svolge ruoli di supporto, la comunicazione tra i neuroni è fondamentale per tutte le funzioni associate al sistema nervoso. La comunicazione neuronale è resa possibile dalle strutture specializzate del neurone, come il soma, i dendriti, gli assoni, i bottoni terminali e le vescicole sinaptiche.

La comunicazione neuronale è un evento elettrochimico. I dendriti contengono recettori per i neurotrasmettitori rilasciati dai neuroni vicini. Se i segnali ricevuti da altri neuroni sono sufficientemente forti, un potenziale d’azione viaggerà lungo l’assone fino ai bottoni terminali, provocando il rilascio di neurotrasmettitori nella sinapsi.

Diversi neurotrasmettitori sono associati a diverse funzioni. Spesso, i disturbi psicologici comportano squilibri in un determinato sistema di neurotrasmettitori. Pertanto, gli psicofarmaci vengono prescritti nel tentativo di riportare i neurotrasmettitori in equilibrio. I farmaci possono agire sia come agonisti che come antagonisti per un dato sistema di neurotrasmettitori.

Neuroni

Gli psicologi che cercano di capire la mente umana possono studiare il sistema nervoso. Imparare come funzionano le cellule e gli organi (come il cervello) ci aiuta a capire le basi biologiche della psicologia umana. Il sistema nervoso è composto da due tipi fondamentali di cellule: le cellule gliali (note anche come glia) e i neuroni. Le cellule gliali, che superano i neuroni di dieci a uno, sono tradizionalmente pensate per svolgere un ruolo di supporto ai neuroni, sia fisicamente che metabolicamente. Le cellule gliali forniscono l’impalcatura su cui è costruito il sistema nervoso, aiutano i neuroni ad allinearsi strettamente l’uno con l’altro per permettere la comunicazione neuronale, forniscono isolamento ai neuroni, trasportano nutrienti e prodotti di scarto e mediano le risposte immunitarie. I neuroni, d’altra parte, servono come processori di informazioni interconnessi che sono essenziali per tutti i compiti del sistema nervoso. Questa sezione descrive brevemente la struttura e la funzione dei neuroni.

Struttura dei neuroni

I neuroni sono i mattoni centrali del sistema nervoso, 100 miliardi alla nascita. Come tutte le cellule, i neuroni sono composti da diverse parti, ognuna delle quali svolge una funzione specializzata. La superficie esterna di un neurone è costituita da una membrana semipermeabile. Questa membrana permette alle molecole più piccole e alle molecole senza carica elettrica di passare attraverso di essa, mentre ferma le molecole più grandi o altamente cariche.

Figura 1. Questa illustrazione mostra un neurone prototipo, che viene mielinizzato.

Il nucleo del neurone si trova nel soma, o corpo cellulare. Il soma ha estensioni ramificate note come dendriti. Il neurone è un piccolo processore di informazioni, e i dendriti servono come siti di input dove i segnali vengono ricevuti da altri neuroni. Questi segnali sono trasmessi elettricamente attraverso il soma e lungo una grande estensione dal soma conosciuta come l’assone, che termina in più pulsanti terminali. I bottoni terminali contengono vescicole sinaptiche che ospitano i neurotrasmettitori, i messaggeri chimici del sistema nervoso.

Gli assoni sono lunghi da una frazione di pollice a diversi metri. In alcuni assoni, le cellule gliali formano una sostanza grassa nota come guaina mielinica, che ricopre l’assone e funge da isolante, aumentando la velocità con cui il segnale viaggia. La guaina mielinica è fondamentale per il normale funzionamento dei neuroni all’interno del sistema nervoso: la perdita dell’isolamento che fornisce può essere dannosa per la normale funzione. Per capire come funziona, consideriamo un esempio. La sclerosi multipla (SM), un disturbo autoimmune, comporta una perdita su larga scala della guaina mielinica sugli assoni in tutto il sistema nervoso. L’interferenza risultante nel segnale elettrico impedisce la rapida trasmissione delle informazioni da parte dei neuroni e può portare a una serie di sintomi, come vertigini, affaticamento, perdita di controllo motorio e disfunzioni sessuali. Mentre alcuni trattamenti possono aiutare a modificare il corso della malattia e a gestire alcuni sintomi, attualmente non esiste una cura nota per la sclerosi multipla.

Negli individui sani, il segnale neuronale si muove rapidamente lungo l’assone fino ai bottoni terminali, dove le vescicole sinaptiche rilasciano neurotrasmettitori nella sinapsi. La sinapsi è uno spazio molto piccolo tra due neuroni ed è un sito importante dove avviene la comunicazione tra i neuroni. Una volta che i neurotrasmettitori vengono rilasciati nella sinapsi, viaggiano attraverso il piccolo spazio e si legano con i recettori corrispondenti sul dendrite di un neurone adiacente. I recettori, proteine sulla superficie cellulare dove si attaccano i neurotrasmettitori, variano di forma, e forme diverse “corrispondono” a neurotrasmettitori diversi.

Come fa un neurotrasmettitore a “sapere” a quale recettore legarsi? Il neurotrasmettitore e il recettore hanno quella che viene chiamata una relazione “chiave e serratura”: i neurotrasmettitori specifici si adattano a recettori specifici come una chiave si adatta a una serratura. Il neurotrasmettitore si lega a qualsiasi recettore che si adatta.

Figura 2. (a) La sinapsi è lo spazio tra il bottone terminale di un neurone e il dendrite di un altro neurone. (b) In questa immagine pseudo-colorata da un microscopio elettronico a scansione, un bottone terminale (verde) è stato aperto per rivelare le vescicole sinaptiche (arancione e blu) all’interno. Ogni vescicola contiene circa 10.000 molecole di neurotrasmettitore. (credito b: modifica del lavoro di Tina Carvalho, NIH-NIGMS; scala -bar dati da Matt Russell)

Ora che abbiamo imparato le strutture di base del neurone e il ruolo che queste strutture svolgono nella comunicazione neuronale, diamo un’occhiata più da vicino al segnale stesso: come si muove attraverso il neurone e poi salta al neurone successivo, dove il processo si ripete.

Partiamo dalla membrana neuronale. Il neurone esiste in un ambiente fluido: è circondato da liquido extracellulare e contiene liquido intracellulare (cioè il citoplasma). La membrana neuronale mantiene questi due fluidi separati – un ruolo critico perché il segnale elettrico che passa attraverso il neurone dipende dal fatto che i fluidi intra ed extracellulari siano elettricamente diversi. Questa differenza di carica attraverso la membrana, chiamata potenziale di membrana, fornisce energia per il segnale.

La carica elettrica dei fluidi è causata da molecole cariche (ioni) dissolte nel fluido. La natura semipermeabile della membrana neuronale limita in qualche modo il movimento di queste molecole cariche e, di conseguenza, alcune delle particelle cariche tendono a concentrarsi all’interno o all’esterno della cellula.

Tra un segnale e l’altro, il potenziale della membrana neuronale è tenuto in uno stato di prontezza, chiamato potenziale di riposo. Come un elastico teso in attesa di entrare in azione, gli ioni si allineano su entrambi i lati della membrana cellulare, pronti a correre attraverso la membrana quando il neurone si attiva e la membrana apre i suoi cancelli (cioè una pompa sodio-potassio che permette il movimento degli ioni attraverso la membrana). Gli ioni in aree ad alta concentrazione sono pronti a muoversi verso aree a bassa concentrazione, e gli ioni positivi sono pronti a muoversi verso aree con una carica negativa.

Nello stato di riposo, il sodio (Na+) è a concentrazioni più alte fuori dalla cellula, quindi tenderà a muoversi nella cellula. Il potassio (K+), invece, è più concentrato all’interno della cellula e tenderà a spostarsi fuori dalla cellula (figura 3). Inoltre, l’interno della cellula è leggermente caricato negativamente rispetto all’esterno. Questo fornisce un’ulteriore forza sul sodio, inducendolo a muoversi all’interno della cellula.

Figura 3. Al potenziale di riposo, il Na+ (pentagoni blu) è più altamente concentrato all’esterno della cellula nel fluido extracellulare (mostrato in blu), mentre il K+ (quadrati viola) è più altamente concentrato vicino alla membrana nel citoplasma o nel fluido intracellulare. Altre molecole, come gli ioni cloruro (cerchi gialli) e le proteine caricate negativamente (quadrati marroni), contribuiscono a una carica netta positiva nel fluido extracellulare e una carica netta negativa nel fluido intracellulare.

Da questo stato di potenziale di riposo, il neurone riceve un segnale e il suo stato cambia bruscamente (Figura 4). Quando un neurone riceve segnali sui dendriti – a causa di neurotrasmettitori da un neurone adiacente che si legano ai suoi recettori – piccoli pori, o porte, si aprono sulla membrana neuronale, permettendo agli ioni Na+, spinti sia dalla carica che dalle differenze di concentrazione, di muoversi nella cellula. Con questo afflusso di ioni positivi, la carica interna della cellula diventa più positiva. Se questa carica raggiunge un certo livello, chiamato soglia di eccitazione, il neurone diventa attivo e inizia il potenziale d’azione. Questo processo di quando la carica della cellula diventa positiva, o meno negativa, si chiama depolarizzazione.

Molti altri pori si aprono, causando un massiccio afflusso di ioni Na+ e un enorme picco positivo nel potenziale di membrana, il picco del potenziale d’azione. Al picco del picco, le porte del sodio si chiudono e le porte del potassio si aprono. Quando gli ioni di potassio caricati positivamente escono, la cellula inizia rapidamente la ripolarizzazione. All’inizio si iperpolarizza, diventando leggermente più negativa del potenziale di riposo, e poi si stabilizza, tornando al potenziale di riposo.

Figura 4. Durante il potenziale d’azione, la carica elettrica attraverso la membrana cambia drammaticamente.

Questo picco positivo costituisce il potenziale d’azione: il segnale elettrico che tipicamente si muove dal corpo cellulare lungo l’assone fino ai terminali dell’assone. Il segnale elettrico si muove lungo l’assone come un’onda; in ogni punto, alcuni degli ioni di sodio che entrano nella cellula si diffondono nella sezione successiva dell’assone, aumentando la carica oltre la soglia di eccitazione e innescando un nuovo afflusso di ioni di sodio. Il potenziale d’azione si muove lungo tutto l’assone fino ai bottoni terminali.

Il potenziale d’azione è un fenomeno tutto-o-nulla. In termini semplici, questo significa che un segnale in arrivo da un altro neurone è sufficiente o insufficiente a raggiungere la soglia di eccitazione. Non c’è una via di mezzo, e non si può spegnere un potenziale d’azione una volta che inizia. Pensate a questo come l’invio di una e-mail o di un messaggio di testo. Potete pensare di inviarlo quanto volete, ma il messaggio non viene inviato finché non premete il pulsante di invio. Inoltre, una volta inviato il messaggio, non c’è modo di fermarlo.

Perché è tutto o niente, il potenziale d’azione viene ricreato, o propagato, alla sua piena forza in ogni punto dell’assone. Proprio come la miccia accesa di un petardo, non svanisce mentre viaggia lungo l’assone. È questa proprietà che spiega il fatto che il cervello percepisce una lesione a una parte del corpo lontana come l’alluce come altrettanto dolorosa di una al naso.

Come notato prima, quando il potenziale d’azione arriva al pulsante terminale, le vescicole sinaptiche rilasciano i loro neurotrasmettitori nella sinapsi. I neurotrasmettitori viaggiano attraverso la sinapsi e si legano ai recettori sui dendriti del neurone adiacente, e il processo si ripete nel nuovo neurone (assumendo che il segnale sia sufficientemente forte da innescare un potenziale d’azione). Una volta che il segnale viene consegnato, i neurotrasmettitori in eccesso nella sinapsi si allontanano, vengono scomposti in frammenti inattivi o vengono riassorbiti in un processo noto come ricaptazione. La ricaptazione implica che il neurotrasmettitore venga pompato di nuovo nel neurone che lo ha rilasciato, per liberare la sinapsi (Figura 5). Liberare la sinapsi serve sia a fornire un chiaro stato “on” e “off” tra i segnali, sia a regolare la produzione di neurotrasmettitore (le vescicole sinaptiche piene forniscono segnali che non è necessario produrre ulteriori neurotrasmettitori).

Figura 5. La ricaptazione comporta lo spostamento di un neurotrasmettitore dalla sinapsi al terminale assonale da cui è stato rilasciato.

La comunicazione neuronale è spesso definita come un evento elettrochimico. Il movimento del potenziale d’azione lungo l’assone è un evento elettrico, e il movimento del neurotrasmettitore attraverso lo spazio sinaptico rappresenta la parte chimica del processo.

Neurotrasmettitori e droghe

Ci sono diversi tipi di neurotrasmettitori rilasciati da diversi neuroni, e possiamo parlare a grandi linee dei tipi di funzioni associate ai diversi neurotrasmettitori (Tabella 1). Gran parte di ciò che gli psicologi sanno sulle funzioni dei neurotrasmettitori deriva dalla ricerca sugli effetti dei farmaci nei disturbi psicologici. Gli psicologi che adottano una prospettiva biologica e si concentrano sulle cause fisiologiche del comportamento affermano che i disturbi psicologici come la depressione e la schizofrenia sono associati a squilibri in uno o più sistemi di neurotrasmettitori. In questa prospettiva, i farmaci psicotropi possono aiutare a migliorare i sintomi associati a questi disturbi. I farmaci psicotropi sono farmaci che trattano i sintomi psichiatrici ripristinando l’equilibrio dei neurotrasmettitori.

Le droghe psicoattive possono agire come agonisti o antagonisti per un dato sistema neurotrasmettitore. Gli agonisti sono sostanze chimiche che imitano un neurotrasmettitore nel sito del recettore e, quindi, rafforzano i suoi effetti. Un antagonista, invece, blocca o impedisce la normale attività di un neurotrasmettitore al recettore. I farmaci agonisti e antagonisti sono prescritti per correggere gli squilibri specifici del neurotrasmettitore alla base della condizione di una persona. Per esempio, il morbo di Parkinson, un disturbo progressivo del sistema nervoso, è associato a bassi livelli di dopamina. Perciò gli agonisti della dopamina, che imitano gli effetti della dopamina legandosi ai recettori della dopamina, sono una strategia di trattamento.

Alcuni sintomi della schizofrenia sono associati alla neurotrasmissione dopaminergica iperattiva. Gli antipsicotici usati per trattare questi sintomi sono antagonisti della dopamina – bloccano gli effetti della dopamina legandosi ai suoi recettori senza attivarli. Così, impediscono alla dopamina rilasciata da un neurone di segnalare informazioni ai neuroni adiacenti.

In contrasto con gli agonisti e gli antagonisti, che operano entrambi legandosi ai siti recettoriali, gli inibitori della ricaptazione impediscono ai neurotrasmettitori inutilizzati di essere trasportati indietro al neurone. Questo lascia più neurotrasmettitori nella sinapsi per un tempo più lungo, aumentandone gli effetti. La depressione, che è stata costantemente collegata a livelli ridotti di serotonina, è comunemente trattata con inibitori selettivi della ricaptazione della serotonina (SSRI). Impedendo la ricaptazione, gli SSRI rafforzano l’effetto della serotonina, dandole più tempo per interagire con i recettori della serotonina sui dendriti. Gli SSRI comuni sul mercato oggi includono Prozac, Paxil e Zoloft. La droga LSD è strutturalmente molto simile alla serotonina, e colpisce gli stessi neuroni e recettori della serotonina. Gli psicofarmaci non sono soluzioni istantanee per le persone che soffrono di disturbi psicologici. Spesso, un individuo deve prendere un farmaco per diverse settimane prima di vedere un miglioramento, e molti psicofarmaci hanno significativi effetti collaterali negativi. Inoltre, gli individui variano drammaticamente nel modo in cui rispondono ai farmaci. Per migliorare le possibilità di successo, non è raro che le persone che ricevono una farmacoterapia si sottopongano anche a terapie psicologiche e/o comportamentali. Alcune ricerche suggeriscono che la combinazione della terapia farmacologica con altre forme di terapia tende ad essere più efficace di qualsiasi trattamento da solo (per uno di questi esempi, vedere March et al, 2007).