Stefano Mammi
Dipartimento di Scienze Chimiche
Università di Padova
Il suo funzionamento visto con gli occhi del chimico
Nei meandri del cervello
Lobo Temporale
Lobo Frontale
Cervelletto
Lobo Occipitale
Lobo Parietale
Organizzazione del Cervello
ricompensa
giudizio
movimento
memoria
Il Cervello Umano
coordinazione
visione
sensazioni
biologo
matematico
sociologo
fisico
medico
psicologo, filosofo, etc...
chimico
Genetica Molecolare
Fisiologia Molecolare
Medicina Molecolare
Biologia Molecolare
Patologia Molecolare
Psichiatria
Molecolare
Il chimico
conosce le
molecole
Molecole
Membrane
Cellule
Circuiti
Mente/Cervello
Pensieri, Sentimenti, Comportamento
capisce come
reagiscono e
perché
Kandel, ER. A New Intellectual Framework for Psychiatry. Am. J. of Psychiatry: 155 1998, p. 457.
Tutti i processi mentali, anche i processi psicologici più
complessi, derivano da operazioni del cervello.
Primo Principio del Nuovo Quadro
Intellettuale per la Psichiatria
Riconoscimento Molecolare
Atomi, ioni e molecole
Atomi, ioni e molecole
Atomi, ioni e molecole
Nei meandri del cervello...
Connessione fra neuroni
Un insieme di assoni
costituisce un NERVO
• Assoni (trasmettono informazioni);
alcuni sono ricoperti di mielina
• Dendriti (ricevono informazioni)
• Sono presenti lunghe appendici o
processi:
• Nel corpo cellulare vi è un reticolo
endoplasmatico esteso e nucleoli
prominenti
• I neuroni sono eccitabili
• I neuroni comunicano attraverso
segnali elettrici
Tipica Disposizione nelle
Connessioni Neurali
Ca++
K+
3
Na+
Na+
ADP + Pi
Potenziale
di membrana
Glucose
Na+
http://www.bris.ac.uk/synaptic/public/basics_ch1_2.html
K+ Cl-
http://digilander.libero.it/itisaltamura/arizona/lipidi/trasporto.htm
3 Na+
ATP
2 K+
Attraverso la membrana neuronale c’è
una distribuzione asimmetrica di ioni
150 mM
9 mM
100 nM
K+
Cl-
Ca++
1.3 mM
125 mM
6 mM
150 mM
Potenziale di membrana a riposo: -70 mV
15 mM
Na+
–––––
––––
K+
+++++
++++
Na+
––––
++++
+130 mV
-70 mV
-90 mV
+60 mV
Cl-
–––
+++
Concentrazioni ioniche dentro e fuori la membrana:
Dentro
Fuori
Potenziale all’equilibrio
E se ci sono molti ioni che diffondono?
http://www.bris.ac.uk/synaptic/public/basics_ch1_2.html
Propagazione
del potenziale
d’azione
La mielina agisce da isolante ed inibisce
il passaggio di ioni attraverso la
membrana che circonda.
Potenziale d’azione:
sua propagazione lungo l’assone
http://www.mind.ilstu.edu/flash/synapse_1.swf
Trasmissione
sinaptica
I potenziali
d’azione causano
il rilascio di
neurotrasmettitori
da parte del
terminale
assonale
presinaptico
L’attività del neurotrasmettitore viene interrotta da: diffusione lontano
dalla sinapsi, trasporto all’interno di cellule (gliali o il neurone
presinaptico), o degradazione da parte di enzimi specifici.
È implicata nel
controllo del sonno
e della veglia.
La Serotonina
(5-HT) è il
neurotrasmettitore
dei nuclei del rafe.
Nuclei del rafe
Lobo temporale
Ipotalamo
Neocorteccia
Gangli della base
Il sistema Serotonina
Cervelletto
Talamo
Lobo frontale
Striato
Ha un ruolo
fondamentale nel
Area tegmentale ventrale
controllo dei
movimenti corporei
e nella motivazione e nel rinforzo emozionale.
La Dopamina è il
neurotrasmettitore
della Substantia nigra
e dell’area
tegmentale ventrale.
Il sistema Dopamina
Substantia
nigra
• La Dopamina ci fa
sentire felici
• la Serotonina e la
Noradrenalina ci
fanno sentire eccitati
Un Sacco di
Chimica!!!!
F 3C
Fluoxetine
Prozac
O
CH
(C H 2 ) 2 -N H CH 3
O
C
H2
CH3
HC
Ecstasy
O
CH2
CH3
HN
Normale
2 Settimane
dopo Ecstasy
7 anni
dopo Ecstasy
Serotonina nella Corteccia Cerebrale
Sentirsi bene:
il Sistema di Ricompensa della Dopamina
La Cocaina aumenta i livelli di DA
impedendone la ricaptazione
alcohol
benzodiazepines
barbiturates
Dopamine Pathways
accumbens
amphetamines
opiates
THC
PCP
ketamine
Nucleus
250
250
1100
1100
1000
1000
900
900
800
800
700
700
600
600
500
500
400
400
300
300
200
200
100
100
00
00
100
100
150
150
200
200
% of
of Basal
Basal Release
Release
%
% of
of Basal
Basal Release
Release
%
00
00
11
22
33 hr
hr
Time
Time After
After Nicotine
Nicotine
00
100
100
150
150
200
200
250
250
00
100
100
200
200
300
300
400
400
11
00
11
22
33
Time
Time After
After Ethanol
Ethanol
4hr
4hr
Dose
Dose (g/kg
(g/kg ip)
ip)
0.25
0.25
0.5
0.5
11
2.5
2.5
ETANOLO
55 hr
hr
DA
DA
DOPAC
DOPAC
HVA
HVA
COCAINA
22
33
44
Time
After
Cocaine
Time After Cocaine
Accumbens
Accumbens
00
Accumbens
Accumbens
Di
Di Chiara
Chiara and
and Imperato,
Imperato, PNAS,
PNAS, 1988
1988
Accumbens
Accumbens
Caudate
Caudate
NICOTINA
55 hr
hr
DA
DA
DOPAC
DOPAC
HVA
HVA
ANFETAMINA
11
22
33
44
Time
Time After
After Amphetamine
Amphetamine
Accumbens
Accumbens
Effetto di Droghe sul Rilascio di Dopamina
% of
of Basal
Basal Release
Release
%
% of
of Basal
Basal Release
Release
%
eroina
N
CH3
1-metil-4-fenil1,2,3,6-tetraidropiridina
CH3
1-metil-4-fenilpropionossipiperidina
O
CH3
MPTP
N
O
MPPP
MPPP: un’eroina sintetica
CH3
N
MPTP
CH3
N+
MPP+
Effetti dell’MPTP
HO
NH3
+
OH
Dopamina
CH3
N+
MPDP+
Effetti dell’MPTP
Barnham, Masters and Bush, Nature, 2004
α-Sinucleina, Neuroni Dopaminergici,
e Malattia di Parkinson
Bisaglia, Trolio, Bellanda, Bergantino,
Bubacco, and Mammi, Prot. Sci., 2006
Serpell, Berriman, Jakes, Goedert,
and Crowther, PNAS, 2000
α-Sinucleina e le sue Molteplici Conformazioni
Bisaglia, Trolio, Bellanda, Bergantino,
Bubacco, and Mammi, Prot. Sci., 2006
Bisaglia, Mammi and Bubacco
J. Biol. Chem. 2007
Come si Formano le Fibrille di α-Sinucleina?
Fotografia
Source: modified from Posner & Raichle, Images of Mind
MRI
PET
TAC
Imaging Cerebrale: Anatomia
Impulso RF
β
α
Osserv.
FT
α
Principi di Risonanza Magnetica
β
moto
veloce
CSF
moto
intermedio
Materia grigia
moto
lento
Materia bianca
MRI
La Risonanza Magnetica per Immagini
(MRI) e i Tumori
MRI studia l’anatomia
cerebrale.
Functional-MRI (fMRI) studia
la funzione cerebrale.
MRI e functional-MRI (fMRI)
“[In Mosso’s experiments] the subject to be observed lay on a delicately balanced table
which could tip downward either at the head or at the foot if the weight of either end were
increased. The moment emotional or intellectual activity began in the subject, down went the
balance at the head-end, in consequence of the redistribution of blood in his system.”
-- William James, Principles of Psychology (1890)
Angelo Mosso
fisiologo Italiano
(1846-1910)
E = mc2
???
… e probabilmente anche il più economico!
Il Primo Esperimento di “Brain Imaging”
un’immagine sola
MRI
fMRI
…
bassa risoluzione
(~3 mm, ma sta migliorando)
↑ attività neuronale
⇒ ↑ ossigeno nel sangue ⇒ ↑ segnale fMRI
Tante immagini
fMRI
(e.g., ogni 2 sec per 5 min)
Blood Oxygenation Level Dependent (BOLD)
⇒ il segnale è una misura indiretta dell’attività neuronale
alta risoluzione
(1 mm)
MRI vs. fMRI
Sotto
Stimolo
A
Riposo
arteria
HbO2
Hb
Effetto BOLD
vena
segnale
segnale
Tempo Ö
OFF (60 s) - ON (60 s)
Fonte: Kwong et al., 1992
fMRI
Fonte: Posner & Raichle, Images of Mind
Attivazione del Segnale fMRI
Stimolo visivo alternato:
Attività
cerebrale
LABBRO
ANCA
LINGUA
SPALLA
GINOCCHIO
MANO
CAVIGLIA
GOMITO
Mappatura dell’Homunculus Motorio
Generazione di Parole
Previsione
di guadagno
Previsione
di perdita
Giochi di
Neuroeconomia
biologo
matematico
sociologo
fisico
medico
psicologo, filosofo, etc...
chimico
Riuscirà il cervello umano a
comprendere il cervello umano
