Il sistema nervoso centrale e le funzioni sensoriali

Sensazione e percezione

Cosa vedi? Immagine a due vie: Jastrow 1900

Dall’alfabeto al codice del sistema nervoso centrale

Alfabeto: il potenziale d’azione è uno stereotipo cioè è sempre uguale e non

porta con sè informazione circa la natura dello stimolo

Codifica dell’intensità legata alla frequenza dei potenziali d’azione

Quali altre informazioni servono???

Codifica del segnale nervoso

Le informazioni riguardano:

natura, l’intensità, la durata e la localizzazione dello stimolo

Elaborazione del messaggio, confrontandolo con altri messaggi ricevuti in passato, attraverso la memoria, l’emozione e il ricordo

Aree associative

Forma

ColoreProfumo

Organizzazione del sistema nervoso

centrale

….e del sistema nervoso periferico

Il midollo spinale

Via afferente sensitiva: schema

Recettori o trasduttori di energia

Struttura periferica comune a tutti i sistemi sensoriali. Uniche “porte” che ci permettono di entrare in contatto con l’ambiente, sia esterno o interno.

Stimolo adeguato fotorecettori → stimoli luminositermocettori → stimoli termicichemocettori → stimoli olfattivi e gustativi.

La forma di energia dello stimolo è definita modalità sensoriale.

RECETTOREStimolo fisico

(Energia incidente)

p. d’azione

Energia elettrica

Classificazione recettori

• Esterocettori: ricevono dati dal mondo esterno

• Enterocettori: ricevono dati dall’ambiente interno

• Propriocettori: ricevono dati sulla posizione dell’individuo nel mondo esterno

III

IIIClassificazione dei recettori

La trasduzione

• Come avviene la trasduzione dell’energia del segnale stimolo in una risposta elettrica?

Al SNC

Trasduzione del segnaleTrasduzione del segnale

Stimolo Scarica di potenziali d’azione

Il potenziale di recettore

potenziale graduato (evento elettrotonico) → sommabile spazialmente

temporalmente

Il potenziale di recettore si propaga se a livello del primo nodo di Ranvier è a soglia → nasce il potenziale d’azione

Recettori del I tipo:il potenziale di recettore depolarizzante si propaga fino al cono di emergenza e, se a soglia, dà origine direttamente al potenziale d’azione.

Recettori del II tipo:il potenziale di recettore determina, o in altri casi inibisce, il rilascio di un neurotrasmettitore, che a sua volta determina la nascita del potenziale d’azione o arresta la trasmissione dell’impulso nervoso.

Recettori sensoriali

• Rilevano una determinata forma di energia

• Trasducono un segnale stimolo in un segnale elettrico

Corpuscolo di Pacini

Al SNC

Trasduzione del segnale

DRG

Vibrazione cutanea

Segnale elettrico

Recettori sensoriali-modelli base

• Fotorecettori– Rispondono alla luce

• Meccanorecettori– Rispondono a deformazioni meccaniche

• Termocettori– Rispondono a variazioni di temperatura

• Chemorecettori– Rispondono alla presenza di determinate molecole

Recettori sensoriali-elenco• Fotorecettori

– Coni (visione fotopica)– Bastoncelli (visione scotopica)– Neuroni gangliari melanopsina+

• Meccanorecettori– Recettori cutanei

• Pacini (vibrazione, derma)• Ruffini (pressione, derma)• Meissner (vibrazione, superficie)• Merkel (pressione, superficie)

– Cellule ciliate• Acustiche (udito)• Vestibolari (equilibrio)

– Propriocettori• Fusi neuromuscolari (stiramento

muscolare)• Organi tendinei del Golgi (stiramento

delle articolazioni)– Recettori di stiramento nei visceri– Nocicettori

• Termocettori– Recettori del caldo– Recettori del caldo intenso– Recettori del freddo– Recettori del freddo intenso

• Chemorecettori– Neuroni olfattivi

• Olfattivi primari• Vomeronasali

– Cellule gustative– Nocicettori– Recettori del prurito– Altri (recettori dei glomi carotidei, etc)

Attributi degli stimoli sensoriali

• Modalitá• Quale forma di energia attiva il recettore in modo

efficace?

• Intensitá• Quanta energia contiene lo stimolo?

• Localizzazione• Quale popolazione di recettori viene attivata?

• Cinetica• Quanto durano stimolo e risposta?

Correnti e potenziali di recettore

A. Lo stimolo efficace modula una corrente ionica (corrente di recettore, cdr).

B. La cdr genera un potenziale di recettore (pdr) graduale simile ai potenziali postsinaptici.

C. Il pdr modula la scarica di potenziali d’azione nelle fibre nervose afferenti dirette al SNC.

Classi di canali ionici

• L’apertura dei canali ionici puo’ venire controllata da vari parametri

chiuso

aperto

Voltaggio-dipendente

Ligando-dipendente(extracell)

Ligando-dipendente(intracell)

Meccano-dipendente

Temperatura-dipendente

Recettori sensoriali-modelli base

• Fotorecettori– Rispondono alla luce

• Meccanorecettori– Rispondono a deformazioni meccaniche

• Termocettori– Rispondono a variazioni di temperatura

• Chemorecettori– Rispondono alla presenza di determinate molecole

Correnti e potenziali di recettore

A. Lo stimolo efficace modula una corrente ionica (corrente di recettore, cdr).

B. La cdr genera un potenziale di recettore (pdr) graduale simile ai potenziali postsinaptici.

C. Il pdr modula la scarica di potenziali d’azione nelle fibre nervose afferenti dirette al SNC.

A cosa serve il potenziale di recettore?

• Recettori di tipo I: con assone, generano pda (es. neuroni olfattivi)

– possiedono una regione di codifica del pda simile a quella dei neuroni centrali; il pdr viene codificato in modo simile ai PSP.

•Recettori di tipo II: senza assone, generano potenziali graduali (es. cellule ciliate)

•possiedono sinapsi specializzate in cui il rilascio di trasmettitore e’ regolato dal pdr graduale.

Trasduzione sensoriale• Lo stimolo efficace apre (o chiude) un certo numero di canali CNG o

TRP • Le correnti ioniche generano un potenziale di recettore graduale

che:

RECETTORI DI TIPO I:RECETTORI DI TIPO I:

Viene codificato in una scarica di potenziali d’azione che viaggiano lungo l’assone fino al SNC

RECETTORI DI TIPO II:RECETTORI DI TIPO II:

Evoca il rilascio di trasmettitore

Genera PSP nel neurone afferente primario

I PSP vengono codificati in una scarica di potenziali d’azione che viaggiano lungo l’assone fino al SNC

oppure

Dal potenziale di recettore al potenziale d’azione

Che cos’è? Via marcata

natura dello stimolo, particolare via lungo la quale esso è condotto,

Campi recettivi dei neuroni sensoriali

Da dove viene? Capacità discriminativa o acuità

ossia organizzazione dei campi recettivi

Stimolo Stimolo

Campi recettivi e discriminazine tra due punti o acuità

Soglia dei due punti

Campi recettivi e inibizione laterale

Codice spaziale e

organizzazione dei campi recettivi

La capacità discriminativa dipende dalla dimensione del campo recettivo, che è strettamente correlata alla densità recettoriale.

Campi eccitatori ed inibitori

Centro eccitatorio (on) e periferia inibitoria (off)

Adattamento recettoriale

Recettore fasico o rapido adattamento

I meccanocettori cutanei sono fasici e tonici

Risposta di recettori tonici e fasici

Localizzazione dei suoni

Codificazione di intensità e durata

Psicofsica o relazione stimolo-sensazione

• la più piccola variazione di intensità di uno stimolo in grado di produrre una variazione di sensazione

• un incremento minimo di sensazione variare l’intensità dello stimolo di una frazione costante (k)

• Il valore di k varia al variare della modalità sensoriale

Soglia differenziale

La Legge di Weber e Fechner

KS

S

SE…

Allora la trasduzione non è lineare ma è…

È un vantaggio o no?

Legge di Weber e Feckner

S = k · log(I / I0)

Trasduzione e percezione• La percezione varia in modo non lineare con l’ampiezza

dello stimolo (la differenza tra sollevare 1 kg e 2 kg non e’ uguale alla differenza tra sollevare 10 e 11 kg!!)

Legge di Weber:

S=K x S

S= minima differenza percepibile tra due stimoliS= intensita’ dello stimolo

Per una data modalita’ sensoriale, K e’ costante

Legge di Stevens

• I = intensita’ percepita• S = intensita’ dello

stimolo

• S0 = intensita’ soglia

I = K(S-S0)n

Per la maggior parte delle modalita’ sensoriali, n<1 (eccezione: il dolore)

I = K(S-S0)n

Corteccia cerebrale: la corteccia cerebrale di ciascun emisfero è suddivisa in lobi

Aree funzionali della corteccia cerebrale

Aree associative

schematicamente

Schema di arco riflesso vs

funzione integrata

Nella corteccia cerebrale si distinguono vari strati

Strutture cerebrali

Tronco encefalico

Midollo spinale: anatomia e organizzazione come centro integrativo

Midollo spinale. Radici anteriori e

posteriori

Organizzazione delle vie

sensoriali

Vie della sensibilità somatica

controlateralità

Vie somatosensoriali

Homunculus sensitivus

Il principio delle neuroscienze: Mappa PET (tomografia a positroni) di attività cerebrale

Attività cerebrali integrate

THE END

Quali canali ionici producono le cdr?• Canali cationici scarsamente selettivi e scarsamente

voltaggio-dipendenti

• Due famiglie predominanti: – CNG (cyclic-nucleotide-gated)– TRP (transient receptor potential)

• Altri canali (es. Deg/ENaC) possono essere implicati in alcuni casi

• In alcuni casi l’attivazione e’ data direttamente dallo stimolo, in altri, tramite passi intermedi

I canali CNG• Attivati dal legame del cAMP o cGMP• cAMP e cGMP sono prodotti dagli enzimi adenilato ciclasi o

guanilato ciclasi e distrutti dalle cAMP- e cGMP-fosfodiesterasi

cAMP

CNG attivati

Corrente ionica

Adenilato ciclasi

cAMP

cGMP

I canali CNG

• Struttura omologa ai canali voltaggio-dipendenti per il K

• Tetramero, 6 eliche transmembrana, 1 regione P tra S5 e S6

• Differenze significative: – Poro senza filtro di selettivita’ per

il K – S4 senza cariche sensore del

voltaggio– Dominio C-terminale per legame

nucleotidi ciclici (cAMP, cGMP)

• Due sottofamiglie: alfa (CNGA1-4) e beta (CNGB1,3)

cAMP/cGMP binding domain

Canali CNG negli organi di senso

• Combinazioni diverse delle subunita’ CNG danno canali con proprieta’ diverse.

• Sono note le subunita’ espresse dai vari recettori ma non la loro stechiometria

• Bastoncelli: CNGA1/CNGB1a• Coni: CNGA3/CNGB3• Neuroni olfattivi: CNGA2/CNGA4/CNGB1b

• CNG dei recettori olfattivi: sensibili a cAMP e cGMP• CNG dei fotorecettori: sensibili solo a cGMP

I canali TRP• Scarsamente attivati dal voltaggio• Solitamente ancorati al citoscheletro• Famiglia eterogenea, con regioni di attivazione variabili• Possibili attivatori:

– pH– T

– IP3/DAG

– – PUFA– stiramento

La famiglia TRP

Tutti I TRP sono permeabili ai cationi mono-e divalenti tranne TRPM4, M5 (permeabili solo ai monovalenti) e TRPV5, V6 (permeabili solo al Ca2+)

Sottofamiglie:

•TRPC

•TRPV

•TRPM

•TRPA

Ciascuna sottofamiglia presenta caratteristiche specifiche

Canali TRP negli organi di senso

• TRPC2: neuroni vomeronasali, attivato dai feromoni

• TRPV1: calore intenso (agonista: capsaicina)• TRPV3: dolore• TRPM5: gusto (dolce, amaro)• TRPM8: freddo intenso (agonista: mentolo)• TRPA1: stimoli meccanici, cellule ciliate

• L’apertura dei canali TRP genera una corrente entrante e/o un aumento di Ca2+ intracellulare