Il sistema nervoso
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Struttura e funzione del sistema nervoso
Il sistema nervoso riceve e interpreta gli impulsi sensoriali e trasmette quindi i comandi appropriati
• Il sistema nervoso è costituito dai neuroni, cellule specializzate costituite da un corpo cellulare (che contiene il nucleo e gli organuli) e da lunghi sottili prolungamenti, chiamati fibre nervose.
• Il cervello umano contiene circa 100 miliardi di neuroni specializzati nel trasferire segnali da un punto all’altro del corpo.
Acquisizione sensoriale
Recettore sensoriale
Effettore
Stimolo motorio
Integrazione
Sistema nervoso periferico (SNP)
Encefalo e midollo spinale Sistema nervoso
centrale (SNC)
Il sistema nervoso svolge tre funzioni strettamente
interconnesse: l’acquisizione sensoriale, l’integrazione e lo stimolo motorio.
Funzione del sistema nervoso
Alle tre principali funzioni del sistema nervoso, corrispondono i tre tipi funzionali di neuroni:
• i neuroni sensoriali: trasportano le informazioni dai recettori sensoriali verso il sistema nervoso centrale;
• gli interneuroni: integrano i dati forniti dai neuroni sensoriali e poi trasmettono segnali appropriati ad altri interneuroni o neuroni motori;
• i neuroni motori: trasmettono i messaggi provenienti dal sistema centrale alle cellule effettrici.
Tipi di neuroni
Tranne alcune eccezioni, il sistema nervoso viene suddiviso in due parti:
• sistema nervoso centrale (SNC): costituito
dall’encefalo e, nei vertebrati, dal midollo spinale;
• sistema nervoso periferico (SNP): formato
essenzialmente dalle vie di comunicazione (i nervi) che portano i messaggi verso l’interno e verso
l’esterno del sistema nervoso centrale; il sistema periferico possiede anche i gangli, che
raggruppano i corpi cellulari dei neuroni.
SNC e SNP
Muscolo quadricipite
Muscoli flessori
Encefalo
Midollo spinale
Nervo SNP Ganglio
SNC Interneurone
4 2 Neurone sensoriale
Motoneurone 3 1 Recettore
Un esempio di funzione del sistema nervoso è
rappresentato dal circuito relativamente semplice che produce le risposte automatiche agli stimoli, o riflessi.
Arco riflesso
I neuroni sono le unità funzionali del sistema nervoso
• La capacità dei neuroni di ricevere e trasmettere impulsi dipende dalla loro struttura.
• La maggior parte degli organuli del neurone, compreso il nucleo, è localizzata nel corpo cellulare.
• Dal corpo cellulare si estendono due tipi di
prolungamenti, i dendriti (che sono numerosi) e l’assone (sempre unico).
Struttura dei neuroni
Struttura di un neurone motorio mielinizzato:
Cellula di Schwann Direzione dell’impulso
Dendriti
Corpo cellulare
Nucleo
Assone Cellula di Schwann
Direzione dell’impulso
Guaina mielinica
Nodo di Ranvier
Nodo di Ranvier
Nucleo
Bottoni sinaptici Corpo cellulare
SEM 3600
Struttura di un neurone
Strati di mielina che formano la guaina mielinica
I neuroni comunicano attraverso le sinapsi
La sinapsi elettrica
• Il passaggio dell’informazione da cellula a cellula avviene attraverso le sinapsi, ovvero le regioni di spazio tra una terminazione sinaptica e un’altra cellula.
• Le sinapsi possono essere elettriche o chimiche.
• In una sinapsi elettrica l’impulso nervoso passa direttamente da un neurone a quello successivo.
Le sinapsi
La sinapsi chimica
• Nelle sinapsi chimiche è invece presente un breve spazio sinaptico che separa il neurone presinaptico da quello postsinaptico.
• Il segnale elettrico deve quindi essere prima convertito in un segnale chimico, costituito da molecole di neurotrasmettitori.
• Il neurotrasmettitore diffonde attraverso la sinapsi e si lega ai recettori presenti sulla membrana della
cellula postsinaptica.
La sinapsi chimica
Neurone presinaptico
Assone del neurone presinaptico
Neurone postsinaptico
Spazio sinaptico
Neurone postsinaptico
Terminazione sinaptica
Molecole di neurotrasmettitore Vescicole
Canali ionici
Il neurotrasmettitore viene demolito ed eliminato
Ioni
Neurotrasmettitore Recettore
Sinapsi
Schema della sinapsi chimica:
La vescicola si fonde con la membrana plasmatica
2
3
Il neurotrasmettitore viene liberato nello spazio sinaptico
4
Il neurotrasmettitore si lega al recettore 1
Arriva il potenziale d’azione
5 Il canale ionico si apre 6 Il canale ionico si chiude
Sinapsi chimica
Le sinapsi chimiche rendono possibile l’elaborazione di informazioni complesse
Un neurone può ricevere informazioni da centinaia di altri neuroni attraverso migliaia di terminazioni sinaptiche.
Dendriti
Guaina mielinica Assone
Terminazioni sinaptiche Inibitore
Corpo cellulare del neurone postsinaptico Eccitatore
Terminazioni sinaptiche
SEM 5500
Sinapsi chimica
• I neurotrasmettitori possono generare potenziali d’azione nella cellula postsinapica: tali neurotrasmettittori e le sinapsi in cui essi sono liberati, sono chiamati eccitatori.
• Viceversa, molti neurotrasmettitori fanno diminuire nella cellula postsinaptica la tendenza a trasmettere l’impulso nervoso: tali neurotrasmettitori e le loro sinapsi sono detti inibitori.
Neurotrasmettitori eccitatori e inibitori
Molte piccole molecole svolgono la funzione di neurotrasmettitori
Molte molecole svolgono il ruolo di neurotrasmettitore nelle sinapsi chimiche:
• l’acetilcolina;
• le ammine biogene;
• gli amminoacidi e i peptidi;
• l’ossido di azoto.
Neurotrasmettitori
Numerosi farmaci e altre sostanze agiscono a livello delle sinapsi chimiche
Molte sostanze psicoattive (tra cui caffeina, nicotina e alcol etilico) influenzano l’azione dei neurotrasmettitori nelle
sinapsi presenti nel nostro cervello.
Farmaci e sistema nervoso
Organizzazione del sistema nervoso
Nel regno animale si sono evoluti diversi tipi di sistema nervoso
Gli organismi a simmetria radiale hanno uno dei modelli più semplice di sistema nervoso, costituito da una rete nervosa, ossia da un sistema a reticolo di neuroni che si estende per tutto il corpo.
Rete nervosa
Neurone Idra (uno cnidario)
La maggior parte degli animali presenta simmetria bilaterale, con due aspetti evolutivi caratteristici:
• la cefalizzazione, cioè la concentrazione delle strutture nervose presso l’estremità anteriore;
• la centralizzazione, ossia la presenza di un sistema nervoso centrale separato da quello periferico.
Macchia oculare Encefalo
Cordone nervoso
Nervi periferici
Encefalo Cordone nervoso ventrale
Gangli dei segmenti
Sanguisuga (un anellide)
Cordone nervoso ventrale
Gangli
Insetto (un artropode) Calamaro (un mollusco) Encefalo
Assone gigante
Planaria (un verme piatto)
Encefalo
Organizzazione del sistema nervoso
Encefalo
Liquido cerebrospinale Meningi
Sostanza bianca
Sostanza grigia
Ganglio della radice dorsale (parte del SNP)
Nervo spiale (che fa parte del sistema nervoso periferico) Canale centrale
Midollo spinale (sezione trasversale) Ventricoli
Canale ependimale del midollo spinale
Midollo spinale
Cavità interna del SNC e sezione trasversale del midollo spinale:
Anatomia SNC
Il sistema nervoso periferico ha una struttura funzionale gerarchica
Il sistema nervoso periferico dei vertebrati può essere suddiviso in due componenti funzionalmente diverse: il sistema nervoso somatico e il sistema nervoso
autonomo. Sistema nervoso periferico
Sistema somatico (volontario)
Sistema autonomo (involontario)
Sistema simpatico
Sistema parasimpatico
Sistema enterico
Anatomia SNP
• Il sistema nervoso somatico trasporta i segnali da e verso i muscoli scheletrici, principalmente in risposta a stimoli esterni. Viene detto volontario perché gran parte delle sue azioni è sotto il
controllo della volontà.
• Il sistema nervoso autonomo regola l’ambiente interno, controllando la muscolatura liscia, il
miocardio e gli organi dei sistemi digerente,
cardiovascolare, escretore ed endocrino. Questo controllo è generalmente di tipo involontario.
SNP somatico e autonomo
Gli effetti contrapposti dei neuroni dei sistemi simpatico e parasimpatico regolano l’ambiente interno
• Un gruppo di neuroni, che costituisce il sistema parasimpatico, induce nell’organismo le attività legate all’acquisizione e alla conservazione
dell’energia.
• L’altro gruppo di neuroni, appartenenti al sistema simpatico, tende a svolgere il compito opposto, preparando il corpo alle attività che consumano energia.
Sistema parasimpatico e simpatico
Il sistema nervoso autonomo:
Sistema parasimpatico e simpatico
L’encefalo si sviluppa a partire da tre dilatazioni anteriori del tubo neurale
L’encefalo umano
Nei vertebrati,
durante i primi stadi dello sviluppo
embrionale, all’estremità
anteriore del tubo neurale compaiono tre rigonfiamenti:
prosencefalo, mesencefalo e rombencefalo.
Regioni dell’encefalo embionale Regioni presenti nell’adulto
Prosencefalo
Mesencefalo
Rombencefalo
Mesencefalo Rombencefalo
Prosencefalo
Embrione (un mese)
Cervello (emisferi cerebrali; comprende la corteccia, la sostanza bianca e i nuclei basali)
Diencefalo (talamo, ipotalamo, ipofisi, epifisi)
Mesencefalo (parte del tronco encefalico)
Ponte (parte del tronco)
Midollo allungato (parte del tronco encefalico)
Emisfero
cerebrale Diencefalo
Mesencefalo Ponte
Cervelletto Midollo allungato
Midollo spinale
Feto(tre mesi)
Cervelletto
• Se confrontato a quello dei pesci, degli anfibi e dei rettili, il cervello degli uccelli e dei mammiferi è molto più grande, rispetto alle altre parti dell’encefalo.
• Un cervello più ampio è direttamente correlato con il comportamento più elaborato che caratterizza uccelli e mammiferi.
L’encefalo umano
La struttura di un supercomputer vivente: l’encefalo umano
• L’encefalo umano è più potente di qualsiasi computer.
• È formato da tre regioni principali che si sono evolute considerevolmente rispetto alle forme originali ancestrali:
– prosencefalo;
– mesencefalo;
– rombencefalo.
L’encefalo umano
Prosencefalo
Mesencefalo
Rombencefalo
Cervello Talamo
Ipotalamo Ipofisi
Ponte Midollo allungato Cervelletto
Midollo spinale Corteccia cerebrale
Due parti del rombencefalo, chiamate midollo allungato e ponte, e il mesencefalo formano un’unità funzionale chiamata complessivamente tronco encefalico.
Tronco encefalico
Principali strutture dell’encefalo umano
Emisfero
cerebrale sinistro
Emisfero
cerebrale destro
Corpo calloso
Gangli basali
Il cervello è costituito dagli emisferi cerebrali destro e sinistro, ognuno dei quali è responsabile dell’attività della parte opposta del corpo.
Emisferi cerebrali
La corteccia cerebrale è un mosaico di regioni specializzate che interagiscono
L’intricato circuito neuronale della corteccia cerebrale dà
origine alle caratteristiche umane più peculiari: la logica e le capacità matematiche, l’abilità linguistica, l’immaginazione, il talento artistico e la personalità.
Lobo frontale Lobo parietale
Lobo occipitale Lobo temporale
Area di associazione frontale
Area di associazione somatosensoriale Linguaggio
Percezione del gusto Percezione delle parole scritte Percezione dell’udito
Percezione
dell’olfatto Area di associazione uditiva
Area di associazione visiva
Vista Linguaggio
Corteccia cerebrale
• L’area funzionale chiamata corteccia motoria ha soprattutto la funzione di inviare comandi ai
muscoli scheletrici, fornendo risposte appropriate agli stimoli sensoriali.
• La maggior parte della nostra corteccia cerebrale è costituita dalle aree di associazione, che sono i siti delle attività mentali più sofisticate, ossia di ciò che noi chiamiamo semplicemente pensiero.
• Gli emisferi cerebrali destro e sinistro tendono a specializzarsi a svolgere funzioni differenti.
Aree di associazione
Utilità delle lesioni per gli studi
Lesioni e interventi chirurgici al cervello forniscono informazioni sulle sue funzioni
Gran parte di ciò che sappiamo sul cervello proviene
dagli studi effettuati su persone che hanno subito lesioni cerebrali o interventi chirurgici, oppure affette da
particolari malattie.
Diverse parti del cervello regolano il sonno e la veglia
• L’ipotalamo, insieme ad altre regioni dell’encefalo, è responsabile del ciclico alternarsi di sonno e veglia.
• Il ponte e il midollo allungato contengono centri che, se stimolati, inducono il sonno.
• Il mesencefalo invece contiene un centro dell’attenzione.
• Un altro sistema di neuroni importante nella regolazione del sonno e della veglia è la
formazione reticolare.
Sonno e veglia
Informazioni provenienti dall’orecchio Occhio
Formazione reticolare Informazioni provenienti dai recettori del tatto, del dolore e della temperatura
Informazioni in uscita verso la corteccia
La formazione reticolare attraversa il centro del tronco encefalico e riceve informazioni dai recettori sensoriali, le filtra rimuovendo quelle che arrivano costantemente al sistema nervoso, e invia i dati utili alla corteccia
cerebrale.
Formazione reticolare
Paziente sveglio, a riposo, con gli occhi chiusi (onde alfa)
Paziente sveglio, con intensa attività mentale (onde beta)
Paziente addormentato
Sonno non-REM (onde delta) Sonno REM Sonno non-REM (onde delta)
I ricercatori studiano il tipo di attività elettrica del cervello durante la veglia e il sonno mediante una tecnica detta elettroencefalografia: un dispositivo trasforma i segnali elettrici, chiamati onde cerebrali, in un tracciato detto elettroencefalogramma o EEG.
Elettroencefalogramma
Il sistema limbico è coinvolto nelle emozioni, nella memoria e nell’apprendimento
Gran parte delle emozioni, della memoria e dell’apprendimento umani dipende dal nostro sistema limbico, un’unità funzionale del prosencefalo, costituita da numerosi centri di integrazione e da aree neuronali interconnesse, che include parti del talamo e dell’ipotalamo.
Olfatto
Bulbo olfattivo
Gusto Ippocampo
Cervello Talamo
Ipotalamo Corteccia prefrontale
Sistema limbico
Disturbi neurologici
Alterazioni delle funzioni fisiologiche nell’encefalo possono causare disturbi neurologici
• I disturbi neurologici (o malattie del sistema nervoso) hanno un enorme impatto sulla società.
• Alcuni esempi sono: la schizofrenia, la depressione, la malattia di Alzheimer e il morbo di Parkinson.
• La schizofrenia è un grave disturbo mentale
caratterizzato da episodi psicotici durante i quali il paziente perde la capacità di distinguere la realtà.
• Tra i sintomi ci sono le allucinazioni, manie, insensibilità, mancanza d’iniziativa, facilità alla distrazione e difficoltà nell’espressione verbale.
Malattie mentali
• Sono state identificate due forme di depressione: la depressione maggiore e il disturbo bipolare.
• La depressione maggiore colpisce circa il 5%
della popolazione.
• Il disturbo bipolare interessa circa l’1% della popolazione ed è caratterizzato da drastici
cambiamenti dello stato d’animo.
Depressione
140 120 100 80 60 40 20 0
1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 Anno
Prescrizioni (milioni)
Molte persone depresse presentano uno squilibrio della concentrazione dei neurotrasmettitori (in particolare della serotonina). Alcune medicine sono in grado di
correggere tale squilibrio: la classe più comune di
farmaci antidepressivi (SSRI) inibisce il riassorbimento della serotonina.
Farmaci antidepressivi
• La malattia di Alzheimer è una malattia
degenerativa del cervello caratterizzata da perdita di memoria e confusione mentale:
• La sua incidenza nella popolazione varia a seconda dell’età.
Placca amiloide Matassa neurofibrillare
LM 250
Malattia di Alzheimer
• Il morbo di
Parkinson è una malattia
caratterizzata da rigidità muscolare, difficoltà a iniziare i movimenti e
lentezza
nell’eseguirli.
• Questo morbo è progressivo, legato all’età del paziente e, in genere, si
manifesta dopo i 60 anni.
Morbo di Parkinson
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