Il sistema nervoso: struttura, neuroni e impulsi nervosi in Biologia

Il sistema nervoso

Il sistema nervoso coordina l'attività dell'organismo e permette l'interazione con il mondo esterno, operando attraverso tre passaggi fondamentali e funzionando come una specie di circuito elettrico con flussi elettrici e mediatori chimici. I tre passaggi sono

1. Raccolta di Stimoli: I recettori sensoriali raccolgono stimoli dall'esterno o dall'interno dell'organismo. Gli stimoli possono provenire dall'esterno ( tramite gli organi di senso) come stimoli termici, dolorifici, uditivi o dall'interno del corpo ad esempio : la posizione del corpo ( c'è un'organo all'interno dell'orecchio che svolge questa funzione) o altre percezioni ( stomaco pieno, etc)
2. Integrazione e Analisi: Le informazioni raccolte vengono analizzate e integrate, elaborando una risposta adeguata. Gli stimoli vengono tradotti in segnali elettrici che integrano le informazioni per dare il via a una risposta. Questa funzione è svolta dai neuroni
3. Attivazione degli Organi Effettori: Muscoli ( volontari o involontari) o ghiandole che eseguono la risposta elaborata.

Il processo tra la percezione dello stimolo e la risposta nervosa avviene in pochi decimi di secondo, consentendo al sistema nervoso di coordinare risposte precise e rapide. Anche le operazioni più semplici richiedono l'acquisizione di stimoli dagli organi di senso e la coordinazione di risposte motorie di numerosi muscoli.

Suddivisione del sistema nervoso

Il sistema nervoso è suddiviso in Sistema Nervoso Centrale (SNC) Sistema Nervoso Periferico (SNP)

Componenti del sistema nervoso

Encefalo ( cervello) e midollo spinale. Nervi: Fasci di assoni che si estendono in tutto il corpo. Partono dal cervello (12) e dalla colonna vertebrale ( 1 paio per ogni vertebra) Gangli: Gruppi di neuroni i cui corpi cellulari si trovano al di fuori del sistema nervoso centrale.

Funzione del sistema nervoso

Ricevere, integrare ed elaborare informazioni di natura nervosa e chimica, per produrre risposte appropriate Connette il sistema nervoso centrale con gli organi di senso e gli organi effettori.

Struttura di un neurone

Il sistema nervoso è costituito interamente dal tessuto nervoso, che comprende neuroni e cellule gliali. I neuroni sono le unità funzionali del sistema nervoso e hanno la capacità di generare impulsi nervosi o potenziali d'azione, che si propagano rapidamente lungo la loro superficie, permettendo reazioni rapide a stimoli e trasmettono il segnale anche per un metro (nell'uomo) alla velocità di 100m/s Nella loro struttura si distinguono 4 parti caratteristiche

1. Corpo Cellulare: Contiene il nucleo e la maggior parte degli organuli. Nel nucleo c'è una valutazione chimica dello stimolo che viene trasmessa come impulso elettrico e viene poi elaborata una risposta di nuovo come chimica 1
2. Dendriti: Ramificazioni che trasportano informazioni al corpo cellulare, che possono arrivare da altri neuroni o da cellule sensoriali
3. Assone: Prolungamento che trasporta informazioni in uscita dal corpo cellulare, l'informazione parte dal cono di emergenza , si trasmette lungo l'assone terminando nel bottone sinaptico ( una specie di piedino che si va ad appoggiare sui dendriti dell'assone successivo). Lungo l'assone c'è una conduzione elettrica, tra bottone e dendriti c'è una conduzione di tipo chimico.
4. Sinapsi: Le sinapsi sono strutture che permettono la trasmissione dell'impulso nervoso tra i neuroni e le cellule bersaglio, attraverso il bottone sinaptico, la fessura intersinaptica e la membrana postsinaptica.

A Il cono di emergenza integra le informazioni raccolte dai dendriti e avvia i potenziali d'azione. L'assone conduce i potenziali d'azione lontano dal corpo cellulare. Cellula presinaptica Cellula postsinaptica I dendriti ricevono informazioni da altri neuroni nelle vicinanze. Il corpo cellulare contiene il nucleo e la maggior parte degli organuli cellulari. I terminali assonici formano sinapsi con una cellula bersaglio. Figura 3 Un neurone Il sistema nervoso umano comprende circa 1011 cellule nervose organizzate in reti, suddivise in tre categorie funzionali:

Interneuron Dendrite Cell body Axon Motor neuron Sensory neuron

1. Neuroni Sensoriali (Afferenti): Conducono informazioni dai recettori sensoriali ai centri nervosi (encefalo e midollo spinale). Ha come 2 assoni perché da un lato raccoglie gli stimoli dalle cellule sensoriali li elabora e produce una risposta che trasmette attraverso l'altro assone
2. Moto Neuroni ( Efferenti) : Neurone classico, raccoglie impulsi da un altro neurone porta i comandi del sistema nervoso centrale agli effettori, come ghiandole e muscoli.
3. Interneuroni e Neuroni di Associazione: Integrano e immagazzinano informazioni, facilitando la comunicazione tra sensori ed effettori. Hanno dendriti molto lunghi e ramificati ( anche l'assone è ramificato ) , raccolgono tantissime informazioni. La materia grigia del cervello è piena di interneuroni , si tratta della corteccia cerebrale che è sottile e molto estesa ( per questo ci sono le pieghe ) quella umana è la più estesa di tutto il regno animale. 2Cellule gliali > hanno funzione di sostegno

Funzioni delle cellule gliali

Le cellule gliali sono più abbondanti dei neuroni e non conducono impulsi. Esse svolgono importanti funzioni di supporto, tra cui:

• Supporto Fisico e Orientamento: Sostengono e guidano i neuroni durante lo sviluppo embrionale.
• Nutrimento: Forniscono sostanze nutritive ai neuroni.
• Mantenimento dell'Ambiente Extracellulare: Assicurano la stabilità dell'ambiente intorno ai neuroni.

Suddivisione delle cellule gliali

Si dividono in Cellule della Macroglia Astrociti: cellule piuttosto grandi fatte a stella. Hanno una funzione di controllo de sistema nervoso , - -sostengono i neuroni perché sono ricche di fibre proteiche e quindi danno compattezza/struttura -riparano il sistema nervoso e si replicano ( alle volte impazziscono dando vita a tumori) - danno nutrimento tramite glucosio - costituiscono la barriera ematoencefalica

Vaso sanguigno Figura 5 La barriera ematoencefalica In questa immagine al microscopio confocale, si notano un vaso sanguigno circondato da numerosi astrociti (in verde) che nutrono i numerosi neuroni [in rosso). È necessario controllare tutto ciò che passa dal sangue al cervello. Nella figura si vedono gli astrociti in verde che fanno da barriera tra il sangue ( nel vaso sanguigno in nero) e i neuroni ( in rosso) Gli astrociti non fanno passare sostanze tossiche ( infatti non esistono infezioni al cervello) . Non fanno barriera però per

• Alcol
• Stupefacenti
• Farmaci psichiatrici Mentre fanno da barriera ad esempio per i farmaci della chemioterapia

Funzioni delle Cellule Gliali dendrite /1 astrocyte (glial cell) oligodendrocyte axon (glial cell) nudeus neuron (cell body) axon terminals Forniscono agli assoni la guaina mielinica, un rivestimento isolante che aumenta la velocità di conduzione degli impulsi nervosi. Sono di due tipi

• Oligodendrociti: Svolgono questa funzione nel sistema nervoso centrale.
• Cellule di Schwann: Avvolgono gli assoni nel sistema nervoso periferico con strati concentrici di mielina, formando una copertura isolante. 3In particolare questi neuroni sono costituiti da cellule ependimali , sono di forma cubica tutte attaccate una all'altra in modo da costituire un rivestimento.

Le cellule ependimali rivestono i ventricoli cerebrali ( che sono cavità all'interno del cervello) il canale centrale della colonna vertebrale entrambi contenenti il liquido cerebrospinalee. Queste cellule producono il liquido cerebrospinale e aiutano a regolare la sua circolazione e drenaggio ( tramite le ciglia ne favoriscono il movimento). Il liquido cerebrospinale fornisce nutrimento, protezione e sostegno meccanico al cervello.

Central canal Cilia Ependymal cell iStock Credit: Rujirat Boonyong Spinal cord tissue Ependymal cells Le cellule di Schwann sono formate da un'unica cellula che si avvolge intorno all'assone ( questi ultimi sono mediamente più lunghi nel sistema periferico) Le cellule di Schwann sono formate da un'unica cellula che si avvolge diverse volte intorno all'assone dei neuroni ricoprendolo 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, come il tubo all'interno di un rotolo di carta. Intervallati lungo l'assone, tra i «manicotti» di mielina, si trovano degli spazi chiamati nodi di Ranvier dove l'assone è scoperto, questi nodi permettono il "salto" del potenziale d'azione da un nodo all'altro, aumentando ulteriormente la velocità di conduzione.

A Cellule di Schwann che producono mielina Sede e direzione della crescita mielinica Nodi di Ranvier Nucleo della cellula di Schwann {cellula gliale specializzata) B Mitocondri Assone Strati multipli di mielina isolano l'assone. 0,1 μm 4Gli impulsi nervosi

Trasmissione degli impulsi nervosi

La trasmissione degli impulsi nervosi nei neuroni dipende da due caratteristiche fondamentali della loro membrana plasmatica:

1. Potenziale Elettrico di Membrana: Differenza di carica elettrica tra l'interno e l'esterno della membrana. Molte cellule presentano un potenziale di membrana, simile al potenziale accumulato in una pila, e sono chiamate polarizzate. La differenza di carica elettrica è dovuta ai flussi di ioni Na+ e K+ che entrano ed escono dalla cellula attraverso i canali ionici. Questi canali permettono agli ioni di diffondere dalla zona a maggiore concentrazione a quella a minore concentrazione quando sono aperti. A riposo, l'interno di un neurone è elettricamente negativo perché predominano ioni negativi legati a macromolecole organiche ( DNA, proteine, acidi nucleici) mentre l'ambiente extracellulare è carico positivamente perché ricco di ioni Na+. Questa separazione di cariche elettriche opposte crea una forma di energia potenziale che può essere misurata in volt. I potenziali elettrici prodotti dalle cellule sono molto più bassi e si misurano in millivolt (1 mV = 1/1000 di volt). Il potenziale di riposo della membrana dei neuroni varia tra -60 e -70 mV
2. Canali Ionici Specifici: Sono proteina trans-membrana (cioè attraversano la membrana cellulare) che permettono il passaggio di specifici ioni Na+ e K+. Sono 3

Canali ionici

1. Canale del Potassio (K+) Poiché La concentrazione di K+ dentro la cellula è molto più alta di quella esterna gli ioni K+ diffondono all'esterno della cellula attraverso umerosi canali per il potassio. La fuoriuscita di K+ rende l'interno della membrana sempre più negativo e l'esterno più positivo, contribuendo al potenziale di riposo. Gli ioni negativi presenti nel citoplasma sono legati a macromolecole troppo grandi per attraversare la membrana quindi rimangono all'interno aumentando la carica negativa interna. A Canali Na+ - K+ Esterno della cellula Canali del Na+ Canale del K+ regolati da voltaggio Na+ Chiuso K* V Interno della cellula Aperto
2. Canale del Sodio (Na+) Gli ioni Na+ tendono a diffondere verso il citoplasma, ma a un ritmo lento principalmente perché i canali del sodio sono meno come numero rispetto a quelli del K. Se non controllati, potrebbero annullare il potenziale di riposo. B Pompa sodio-potassio (ATPasi) Esterno della cellula Na+ Pompa O sodio-potassio K+ ATP P ATP ADP O K* P Interno della cellula Na+ K
3. Pompa Sodio-Potassio Compensa le "perdite" di Na+ verso l'interno e di K+ verso l'esterno portando dentro il K+ e fuori il Na+ "contro" la loro tendenza naturale, infatti per far questo usa energia consumando ATP. E' importante perché mantiene il potenziale di membrana e agisce contro la differenza di concentrazione dei due ioni. 5