neurone

Metodologie di ricerca per lo studio del sistema
nervoso
1) Identificare le regioni cerebrali implicate in
ciascuna componente
2) Analizzare come sono connesse le regioni
cerebrali coinvolte
3. Metodi
comportamentali
2. Mappatura delle aree
e delle loro funzioni
1. Singola cellula
SCOPERTA DEL “NEURONE”
Jan Evangelista
Purkinje
(1789- 1869)
Camillo Golg
SNC rete diffusa
(1843 - 1926)
Entrambi Nobel 1906
Santiago Ramòn y Cajal
neuroni
(1852-1934)
Jan Evangelista Purkinje
Sostenitore filosofia della natura
Le cellule da lui osservate erano quindi “piccole anime pensanti”
1837
“Lo scienziato deve essere anche un
artista creativo…..
Il microscopio deve promuovere qualità
immaginative e trascendere la realtà
visiva”
1873
Reazione “nera” di Golgi
Franz Joseph Gall
(1800)
Frenologia:
Studio suddivisioni cervello in base a
funzione e indici anatomici (es. forma
del cranio)
Unità funzionale del SNC
• Neurone
• rete
1. Singola cellula
•Tecniche di colorazione e marcatura dei neuroni
Apprendimento e memoria
•Tecniche di determinazione della funzione: Elettrofisiologia
Stimolo
Registrazione
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
•Tecniche di colorazione e marcatura dei neuroni
Bulbo olfattivo:
corpi cellulari
(sotto) e sinapsi
(sopra)
Corteccia
cerebellare: corpi
cellulari (B) e
sinapsi (G)
Corteccia
Nucleo genicolato
somatosensitiva,
laterale, marcatura marcatore attività
anterograda
sinaptica
Proiezioni gangli
Sistema nervoso
Assoni motori (G)
radici dorsali verso
autonomo, iniezione
e sinapsi
midollo spinale,
intracellulare enzima neuromuscolari
marcatore
marcatore
(R), GFP proteins
enzimatico
Neuroni sensitivi
olfattivi nel naso marcati
con colorante vitale nel
bulbo olfattivo
indicatori fluorescenti
• Fluoroforo coniugato a un anticorpo
• Indicatori sensibili alla concentrazione di
ioni
• Indicatori di voltaggio
• Proteine fluorescenti
Marcatura retrograda o anterograda
Assoni efferenti (anterograda):
iniezione di sostanze radioattive
(amino acidi) lectine (PHA-L) o
fluoresceinate
Assoni afferenti (retrograda):
fluorogold
Perossidasi del Rafano (1971)
Un enzima che in presenza del substrato produce un
prodotto colorato o fluorescente.
Se iniettato vicino alle terminazioni assoniche entra nel
Neurone per endocitosi e per trasporto assonale
retrogrado Raggiunge il corpo cellulare e i dendridi
2b. Aree del cervello e connessioni: Individuazione
delle funzioni
•Tecniche di ablazione e stereotassi
Ablazione o lesione di una
determinata area del cervello ed
analisi comportamentale
dell’individuo risultante
Limiti: interpretazione dei risultati
Pseudo rabbia da decorticazione
Che scompare isolando anche
L’ipotalamo
Metodi di lesione
-Lesioni da aspirazione: per strutture corticali
-Lesioni da radiofrequenze: tramite calore prodotto. Per strutture
sottocorticali
-Resezione chirurgica
-Blocco criogeno: lesione reversibile
-Lesioni chimiche selettive:
Acido cainico, acido ibotenico: assorbiti in prossimita’ della pipetta
6-idrossidopamina: assorbita da neuroni noradrenergici e
dopaminergici (induzione di Parkinson)
Nell’uomo?
Lesioni
Lesioni dovute ad incidenti: analisi post-mortem
Gage: distruzione della corteccia frontale sopraorbicolare
Senza inibizioni, infantile, irresponsabile, indifferente alle
reazioni degli altri e delle conseguenze
Ablazioni in seguito a tumori, epilessia o ictus
L’ippocampo e la memoria
•Tecniche di Registrazione: elettrodi interni
L’elettrodo viene inserito nella regione desiderata e registra l’attività di
un gruppo di neuroni in risposta ad appropriati stimoli
Con elettrodi esterni Elettroencefalogramma (EEG)
•Due elettrodi collegati ad un amplificatore elettronico vengono
posizionati nell’area di interesse sul cuoio capelluto.
•Consente di rilevare l’attività elettrica complessiva di tutti i neuroni
compresi tra due elettrodi applicati
·Per convenzione, nell’ EEG eccitazione e’ rappresentata
con deflessione NEGATIVA
L’elettroencefalogramma
1-30 Hz
20-100microV
EEG
•
•
•
•
Onde delta 0,5-4 Hz (sonno )
Onde theta 4-7 Hz (sonno)
Onde alfa 8-13 Hz
(sveglio rilassato)
Onde beta 13-30 Hz (attività mentale)
EEG misura
• Potenziali spontanei
• Potenziali evocati
Morte clinica
Morte cerebrale valutata con EEG
• Onde cerebrali inferiori ai 2microVolt per
30 min
• No potenziali evocati
Epilessia
Vantaggi:
• elevata risoluzione
temporale
• basso costo
Svantaggi:
• bassa risoluzione
spaziale
• non adatta per
registrazioni di
risposte a brevi
stimoli (Variante:
potenziali evocati)
Studi del sonno
Stadio 1
del sonno
Veglia
alfa
beta
Theta
REM
Attività delta
Registrazioni: elettrodi esterni potenziali evocati (SEP)
·
Variazione di EEG in relazione a stimolo
sensoriale
·Sincronizzati con la stimolazione
sensoriale
·Non evidenti da EEG=>
AVERAGING: estrazione SEP (segnale)
da EEG (rumore)
Stimolazione sensoriale visiva,acustica,
meccanica, gustativa e olfattiva
·Picchi positivi e negativi generati da
diverse strutture neurali
Picchi precoci: Strutture sottocorticali
Picchi intermedi: Corteccia sensoriale
primaria
Picchi tardivi (300-500 ms) sono i
potenziali correlati ad attivita
cognitive superiori (memoria,
attenzione)
·Utili per valutare lo stato funzionale di
sistemi sensoriali
·Diagnosi precoce di malattie:
-es. in sclerosi multipla si ha
demielinizzazione=>diminuzione di
velocita’ di conduzione=> aumento
latenza in potenziali evocati
ERP potenziali
legati all’evento
(suono)
Brain-computer interface
• Con 96 elettrodi un paziente tetraplegico
può muovere un cursore di un computer o
aprire e chiudere una mano robotica
Visualizzazione del cervello
• Tomografia a emissione di positroni PET
• Risonanza magnetica RM
Risonanza magnetica nucleare
• Si basa sulle proprietà magnetiche degli
atomi,dovute al fatto che le cariche
elettriche in movimento generano un campo
magnetico.
• Questo ad esempio accade nei protoni che si
stima siano circa 70-80% degli atomi che
costituiscono gli organismi
Un campo magnetico esterno provoca l’llineamento dei nuclei
Risonanza magnetica funzionale
• La risposta emodinamica di un tessuto può
essere visualizzata sfruttando le proprietà
magnetiche del ferro contenuto
nell’emoglobina e le loro variazioni
dipendenti dallo stato di ossigenazione
Risonanza magnetica funzionale
• L’emoglobina ossigenata non altera
significativamente il campo magnetico
locale
• L’emoglobina deossigenata è
paramagnetica a causa dei 4 elettroni
disaccoppiati del ferro e è in grado di
perturbare il campo magnetico locale
Cambia il rapporto tra Hb ossigenata e deossigenata
Immagini di risonanza magnetica
funzionale
Vantaggi:
• non richiede uso radioattivo
• buona risoluzione temporale
• immagini del cervello con
risoluzione spaziale elevata
Svantaggi:
• Costo
•Tomografia ad emissione di positroni
Iniezione nel circolo sanguigno di
(PET)
una sostanza radioattiva che viene
assunta nelle diverse aree del
cervello a seconda dell’attività. Ad
attività maggiore corrisponde
radioattività maggiore. Il
computer produce una immagine a
codice cromatico
Consente di misurare:
•attività metabolica (Glucosio)
•flusso sanguigno
•captazione di ossigeno
•attività di recettori
(neurotrasmettitore)
Scansioni PET del cervello in attività
Vantaggi:
• Risoluzione spaziale
ottima
• Evidenzia la funzione
delle strutture,
visualizzandone il livello di
attività
Svantaggi:
• Bassa risoluzione
temporale
• No immagini del tessuto
nervoso (deve essere
associata a MRI)
• Apparecchiatura
costosa, deve prevedere
nelle vicinanze un
ciclotrone
• OPTICAL IMAGING
·Registrazione di attivita’ di
popolazione di neuroni
·Uso di traccianti sensibili al
voltaggio: rispondono a
variazioni di potenziale con
variazioni dello spettro di
fluorescenza o assorbimento
·Ottima risoluzione spaziale
e temporale
Risoluzione dell’EEG e di tecniche di visualizzazione
Tecnica
EEG
Risoluzione Risoluzione
temporale spaziale
1 msec
10-15 mm
PET
45 sec
4 mm
MRI
3-5 sec
1-1.5 mm
3. Tecniche comportamentali
Hanno come obbiettivo il prodotto del funzionamento del cervello, vale
a dire i comportamenti individuali
• Test psicologici valutano la funzione emotiva, cognitiva o
intellettiva
Apprendimento motorio
Seguire i margini della figura
allo specchio
Wisconsin card sorting test
test di funzionalità lobi frontali
• Sono utilizzate 128 carte contenenti da 1 a 4 figure
identiche di un singolo colore
• Le figure sono: stelle,croci, triangoli cerchi
• Rosso, giallo, blu e verde
Wisconsin test
Wisconsin test
Colore
Forma
Numero
Somministrazione del test:
Quelle che ha davanti sono 4 carte guida, metta le carte del mazzo
sotto le carte guida dove pensa sia opportuno
Io le dirò se è giusto o sbagliato
Il criterio (colore, forma, numero) non viene anticipato e cambia
Dopo 10 risposte esatte si cambia criterio
Particolare rilevanza ha l’Errore perseverativo
Negli animali: Test comportamentali
Il concetto di mente
• Prodotto dell’attività encefalica
• Proprietà emergente dell’attività encefalica
Idrogeno e ossigeno hanno caratteristiche del tutto diverse
Dall’H2O
Le molecole (prive di via) che costituiscono un organismo
Si organizzano a formare un essere vivente
Nei sistemi complessi emergono caratteristiche imprevedibili