neurone
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Metodologie di ricerca per lo studio del sistema<br />
nervoso<br />
1) Identificare le regioni cerebrali implicate in<br />
ciascuna componente<br />
2) Analizzare come sono connesse le regioni<br />
cerebrali coinvolte
3. Metodi<br />
comportamentali<br />
2. Mappatura delle aree<br />
e delle loro funzioni<br />
1. Singola cellula
Jan Evangelista<br />
Purkinje<br />
(1789- 1869)<br />
Camillo Golg<br />
SNC rete diffusa<br />
(1843 - 1926)<br />
SCOPERTA DEL “NEURONE”<br />
Entrambi Nobel 1906<br />
Santiago Ramòn y Cajal<br />
neuroni<br />
(1852-1934)
Jan Evangelista Purkinje<br />
Sostenitore filosofia della natura<br />
Le cellule da lui osservate erano quindi “piccole anime pensanti”<br />
1837<br />
“Lo scienziato deve essere anche un<br />
artista creativo…..<br />
Il microscopio deve promuovere qualità<br />
immaginative e trascendere la realtà<br />
visiva”
1873<br />
Reazione “nera” di Golgi
Franz Joseph Gall<br />
(1800)<br />
Frenologia:<br />
Studio suddivisioni cervello in base a<br />
funzione e indici anatomici (es. forma<br />
del cranio)
Unità funzionale del SNC<br />
• Neurone<br />
• rete
1. Singola cellula<br />
•Tecniche di colorazione e marcatura dei neuroni<br />
Apprendimento e memoria
•Tecniche di determinazione della funzione: Elettrofisiologia<br />
Stimolo<br />
Registrazione<br />
Apprendimento e memoria, basi molecolari: LTP
LTP
Misurare l’attività di un singolo canale
pipetta da patch a contatto di una cellula
Configurazione del patch
2a. Aree del cervello e connessioni: mappatura delle connessioni<br />
•Tecniche di colorazione e marcatura dei neuroni<br />
Bulbo olfattivo:<br />
corpi cellulari<br />
(sotto) e sinapsi<br />
(sopra)<br />
Sistema nervoso<br />
autonomo, iniezione<br />
intracellulare enzima<br />
marcatore<br />
Corteccia<br />
cerebellare: corpi<br />
cellulari (B) e<br />
sinapsi (G)<br />
Assoni motori (G)<br />
e sinapsi<br />
neuromuscolari<br />
(R), GFP proteins<br />
Nucleo genicolato<br />
laterale, marcatura<br />
anterograda<br />
Proiezioni gangli<br />
radici dorsali verso<br />
midollo spinale,<br />
marcatore<br />
enzimatico<br />
Corteccia<br />
somatosensitiva,<br />
marcatore attività<br />
sinaptica<br />
Neuroni sensitivi<br />
olfattivi nel naso marcati<br />
con colorante vitale nel<br />
bulbo olfattivo
indicatori fluorescenti<br />
• Fluoroforo coniugato a un anticorpo<br />
• Indicatori sensibili alla concentrazione di<br />
ioni<br />
• Indicatori di voltaggio<br />
• Proteine fluorescenti
Marcatura retrograda o anterograda<br />
Assoni efferenti (anterograda):<br />
iniezione di sostanze radioattive<br />
(amino acidi) lectine (PHA-L) o<br />
fluoresceinate<br />
Assoni afferenti (retrograda):<br />
fluorogold
Perossidasi del Rafano (1971)<br />
Un enzima che in presenza del substrato produce un<br />
prodotto colorato o fluorescente.<br />
Se iniettato vicino alle terminazioni assoniche entra nel<br />
Neurone per endocitosi e per trasporto assonale<br />
retrogrado Raggiunge il corpo cellulare e i dendridi
2b. Aree del cervello e connessioni: Individuazione<br />
delle funzioni<br />
•Tecniche di ablazione e stereotassi<br />
Ablazione o lesione di una<br />
determinata area del cervello ed<br />
analisi comportamentale<br />
dell’individuo risultante<br />
Limiti: interpretazione dei risultati<br />
Pseudo rabbia da decorticazione<br />
Che scompare isolando anche<br />
L’ipotalamo
Metodi di lesione<br />
-Lesioni da aspirazione: per strutture corticali<br />
-Lesioni da radiofrequenze: tramite calore prodotto. Per strutture<br />
sottocorticali<br />
-Resezione chirurgica<br />
-Blocco criogeno: lesione reversibile<br />
-Lesioni chimiche selettive:<br />
Acido cainico, acido ibotenico: assorbiti in prossimita’ della pipetta<br />
6-idrossidopamina: assorbita da neuroni noradrenergici e<br />
dopaminergici (induzione di Parkinson)
Nell’uomo?<br />
Lesioni<br />
Lesioni dovute ad incidenti: analisi post-mortem<br />
Gage: distruzione della corteccia frontale sopraorbicolare<br />
Senza inibizioni, infantile, irresponsabile, indifferente alle<br />
reazioni degli altri e delle conseguenze<br />
Ablazioni in seguito a tumori, epilessia o ictus<br />
L’ippocampo e la memoria
•Tecniche di Registrazione: elettrodi interni<br />
L’elettrodo viene inserito nella regione desiderata e registra l’attività di<br />
un gruppo di neuroni in risposta ad appropriati stimoli
Con elettrodi esterni Elettroencefalogramma (EEG)<br />
•Due elettrodi collegati ad un amplificatore elettronico vengono<br />
posizionati nell’area di interesse sul cuoio capelluto.<br />
•Consente di rilevare l’attività elettrica complessiva di tutti i neuroni<br />
compresi tra due elettrodi applicati<br />
·Per convenzione, nell’ EEG eccitazione e’ rappresentata<br />
con deflessione NEGATIVA
1-30 Hz<br />
20-100microV<br />
L’elettroencefalogramma
EEG<br />
• Onde delta 0,5-4 Hz (sonno )<br />
• Onde theta 4-7 Hz (sonno)<br />
• Onde alfa 8-13 Hz (sveglio rilassato)<br />
• Onde beta 13-30 Hz (attività mentale)
• Potenziali spontanei<br />
• Potenziali evocati<br />
Morte clinica<br />
EEG misura
Morte cerebrale valutata con EEG<br />
• Onde cerebrali inferiori ai 2microVolt per<br />
30 min<br />
• No potenziali evocati
Veglia<br />
Epilessia<br />
Studi del sonno<br />
alfa<br />
beta<br />
Vantaggi:<br />
• elevata risoluzione<br />
temporale<br />
• basso costo<br />
Svantaggi:<br />
• bassa risoluzione<br />
spaziale<br />
• non adatta per<br />
registrazioni di<br />
risposte a brevi<br />
stimoli (Variante:<br />
potenziali evocati)<br />
Stadio 1<br />
del sonno REM<br />
Theta<br />
Attività delta
Registrazioni: elettrodi esterni potenziali evocati (SEP)<br />
·<br />
Variazione di EEG in relazione a stimolo<br />
sensoriale<br />
·Sincronizzati con la stimolazione<br />
sensoriale<br />
·Non evidenti da EEG=><br />
AVERAGING: estrazione SEP (segnale)<br />
da EEG (rumore)<br />
Stimolazione sensoriale visiva,acustica,<br />
meccanica, gustativa e olfattiva
·Picchi positivi e negativi generati da<br />
diverse strutture neurali<br />
Picchi precoci: Strutture sottocorticali<br />
Picchi intermedi: Corteccia sensoriale<br />
primaria<br />
Picchi tardivi (300-500 ms) sono i<br />
potenziali correlati ad attivita<br />
cognitive superiori (memoria,<br />
attenzione)<br />
·Utili per valutare lo stato funzionale di<br />
sistemi sensoriali<br />
·Diagnosi precoce di malattie:<br />
-es. in sclerosi multipla si ha<br />
demielinizzazione=>diminuzione di<br />
velocita’ di conduzione=> aumento<br />
latenza in potenziali evocati<br />
ERP potenziali<br />
legati all’evento<br />
(suono)
Brain-computer interface<br />
• Con 96 elettrodi un paziente tetraplegico<br />
può muovere un cursore di un computer o<br />
aprire e chiudere una mano robotica
Visualizzazione del cervello<br />
• Tomografia a emissione di positroni PET<br />
• Risonanza magnetica RM
Risonanza magnetica nucleare<br />
• Si basa sulle proprietà magnetiche degli<br />
atomi,dovute al fatto che le cariche<br />
elettriche in movimento generano un campo<br />
magnetico.<br />
• Questo ad esempio accade nei protoni che si<br />
stima siano circa 70-80% degli atomi che<br />
costituiscono gli organismi
Un campo magnetico esterno provoca l’llineamento dei nuclei
Risonanza magnetica funzionale<br />
• La risposta emodinamica di un tessuto può<br />
essere visualizzata sfruttando le proprietà<br />
magnetiche del ferro contenuto<br />
nell’emoglobina e le loro variazioni<br />
dipendenti dallo stato di ossigenazione
Risonanza magnetica funzionale<br />
• L’emoglobina ossigenata non altera<br />
significativamente il campo magnetico<br />
locale<br />
• L’emoglobina deossigenata è<br />
paramagnetica a causa dei 4 elettroni<br />
disaccoppiati del ferro e è in grado di<br />
perturbare il campo magnetico locale
Cambia il rapporto tra Hb ossigenata e deossigenata
Immagini di risonanza magnetica<br />
funzionale
Vantaggi:<br />
• non richiede uso radioattivo<br />
• buona risoluzione temporale<br />
• immagini del cervello con<br />
risoluzione spaziale elevata<br />
Svantaggi:<br />
• Costo
•Tomografia ad emissione di positroni<br />
(PET)<br />
Iniezione nel circolo sanguigno di<br />
una sostanza radioattiva che viene<br />
assunta nelle diverse aree del<br />
cervello a seconda dell’attività. Ad<br />
attività maggiore corrisponde<br />
radioattività maggiore. Il<br />
computer produce una immagine a<br />
codice cromatico<br />
Consente di misurare:<br />
•attività metabolica (Glucosio)<br />
•flusso sanguigno<br />
•captazione di ossigeno<br />
•attività di recettori<br />
(neurotrasmettitore)
Scansioni PET del cervello in attività
Vantaggi:<br />
• Risoluzione spaziale<br />
ottima<br />
• Evidenzia la funzione<br />
delle strutture,<br />
visualizzandone il livello di<br />
attività<br />
Svantaggi:<br />
• Bassa risoluzione<br />
temporale<br />
• No immagini del tessuto<br />
nervoso (deve essere<br />
associata a MRI)<br />
• Apparecchiatura<br />
costosa, deve prevedere<br />
nelle vicinanze un<br />
ciclotrone
• OPTICAL IMAGING<br />
·Registrazione di attivita’ di<br />
popolazione di neuroni<br />
·Uso di traccianti sensibili al<br />
voltaggio: rispondono a<br />
variazioni di potenziale con<br />
variazioni dello spettro di<br />
fluorescenza o assorbimento<br />
·Ottima risoluzione spaziale<br />
e temporale
Risoluzione dell’EEG e di tecniche di visualizzazione<br />
Tecnica Risoluzione<br />
temporale<br />
Risoluzione<br />
spaziale<br />
EEG 1 msec 10-15 mm<br />
PET 45 sec 4 mm<br />
MRI 3-5 sec 1-1.5 mm
3. Tecniche comportamentali<br />
Hanno come obbiettivo il prodotto del funzionamento del cervello, vale<br />
a dire i comportamenti individuali<br />
• Test psicologici valutano la funzione emotiva, cognitiva o intellettiva<br />
Apprendimento motorio<br />
Seguire i margini della figura<br />
allo specchio
Wisconsin card sorting test<br />
test di funzionalità lobi frontali<br />
• Sono utilizzate 128 carte contenenti da 1 a 4 figure<br />
identiche di un singolo colore<br />
• Le figure sono: stelle,croci, triangoli cerchi<br />
• Rosso, giallo, blu e verde
Wisconsin test
Wisconsin test<br />
Colore Forma Numero
Somministrazione del test:<br />
Quelle che ha davanti sono 4 carte guida, metta le carte del mazzo<br />
sotto le carte guida dove pensa sia opportuno<br />
Io le dirò se è giusto o sbagliato<br />
Il criterio (colore, forma, numero) non viene anticipato e cambia<br />
Dopo 10 risposte esatte si cambia criterio<br />
Particolare rilevanza ha l’Errore perseverativo
Negli animali: Test comportamentali
Il concetto di mente<br />
• Prodotto dell’attività encefalica<br />
• Proprietà emergente dell’attività encefalica<br />
Idrogeno e ossigeno hanno caratteristiche del tutto diverse<br />
Dall’H 2 O<br />
Le molecole (prive di via) che costituiscono un organismo<br />
Si organizzano a formare un essere vivente<br />
Nei sistemi complessi emergono caratteristiche imprevedibili