INTRODUZIONE ALLA NEUROBIOLOGIA Meccanismi di sviluppo, funzione e malattia del sistema nervoso centralepp ,

Luca Colucci D’Amato • Umberto di Porzio

Introduzione alla

NEUROBIOLOGIA

Meccanismi di sviluppo, funzione e malattia del sistema nervoso centrale

Presentazione a cura diGabriella Augusti-Tocco

123

LUCALL COLUCCI D’AMATO UMBERTO DI PORZIO

Seconda Università degli Studi di Napoli Laboratorio di Sviluppo del Sistema NervosoIstituto di Genetica e Biofisica Istituto di Genetica e Biofisica “Adriano Buzzati Traverso”, CNR “Adriano Buzzati Traverso”, CNR Napoli Napoli

Serie Springer Biomed a cura di

MARIA RITA MICHELI RODOLFO BOVA

Dipartimento di Biologia Cellulare Dipartimento di Medicina Sperimentalee Ambientale e Scienze BiochimicheUniversità di Perugia Università di PerugiaPerugia Perugia

ISBN 978-88-470-1943-0 e-ISBN 978-88-470-1944-7

DOI 10.1007/978-88-470-1944-7

© Springer-Verlag Italia 2011

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i l bi l iCapitolo 1 – La neurobiologia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

Ambiti e peculiarità . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1Disciplina di sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3Letture consigliate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4Siti Internet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

Capitolo 2 – Breve storia della neurobiologia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

La teoria chimica della trasmissione nervosa . . . . . . . . . . . . . . . . . 6La teoria elettrica della neurotrasmissione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8Dalla frenologia alla localizzazione delle funzioni cerebrali . . . . . 9La neurobiologia cellulare e molecolare . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14La visualizzazione e la stimolazione del cervello in vivo . . . . . . . . 15Letture consigliate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15Film consigliati . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16Box 2.1 Il “gene della parola e del linguaggio” . . . . . . . . . . . . . . . . 16Box 2.2 Metodi di visualizzazione cerebrale . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

Capitolo 3 – L’architettura del sistema nervoso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

Il sistema nervoso centrale: l’encefalo e il midollo spinale . . . . . . 21Il sistema nervoso periferico: i gangli e i nervi periferici . . . . . . . 22Il sistema nervoso autonomo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22I raggruppamenti dei neuroni e dei loro prolungamenti

nel SNC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23Le vie afferenti sensitive e le vie efferenti motorie . . . . . . . . . . . . . 27Letture consigliate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29Sito Internet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29Box 3.1 Neuroni di tipo speciale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

Capitolo 4 – Le cellule del sistema nervoso centrale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

I neuroni . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35La neurotrasmissione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38Le vescicole sinaptiche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

a s aps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .La sinapsi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

iIndice

Indice XI

i i i iCapitolo 7 – Le cellule staminali neurali . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91

Definizioni di cellule staminali . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91Generazione di nuove cellule staminali . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94

Trans-differenziazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94Trasferimento nucleare . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95Cellule staminali pluripotenti indotte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95

Le cellule staminali neurali . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96Fattori in grado di indirizzare e influenzare il destino

delle cellule staminali neurali . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97Basi fisiopatologiche per l’uso terapeutico delle cellule

staminali neurali . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98Letture consigliate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100Box 7.1. La neurogenesi nell’adulto: la fine di un dogma . . . . . . . 101

Capitolo 8 – Plasticità, apprendimento e memoria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105

Apprendimento e memoria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108Consolidamento della memoria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111Basi molecolari della memoria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112

Letture consigliate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115Box 8.1. Le droghe d’abuso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115

Capitolo 9 – Il sistema dei gangli della base . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119

Letture consigliate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130Box 9.1. La stimolazione cerebrale profonda . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130Box 9.2. I sistemi piramidale ed extrapiramidale . . . . . . . . . . . . . . . 131

Capitolo 10 – Meccanismi di malattia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133

Caratteristiche anatomo-funzionali del SNC rilevantiper la patologia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133Il cranio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134La barriera emato-encefalica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134La vascolarizzazione di tipo terminale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134Il SNC è un sito immunologicamente privilegiato . . . . . . . . . . . 134Limitata capacità rigenerativa nel SNC dell’adulto . . . . . . . . . . 135Complessità dei meccanismi di sviluppo del SNC . . . . . . . . . . . 135Metabolismo aerobio glucosio-dipendente . . . . . . . . . . . . . . . . 136

Modalità di risposta del SNC alle noxae patogene . . . . . . . . . . . . . . 136Modificazioni assonali anterograde (degenerazione walleriana) . 136Modificazioni assonali retrograde . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137Degenerazione transneuronale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137Reinnervazione collaterale e ipertrofia dell’albero dendritico . . 137

Gliosi reattiva . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138Necrosi colliquativa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138Edema cerebrale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138

La patologia del SNC come alterazione dei circuiti . . . . . . . . . . . . . 139Alterazione dell’attività dei sensori periferici . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141Alterazioni dell’eccitabilità di membrana . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142Alterazioni della conduzione del potenziale di azione . . . . . . . . . . . 145Alterazioni della neurotrasmissione sinaptica . . . . . . . . . . . . . . . . . 146Alterazioni dell’organizzazione e della connettività dei circuiti . . . . 147

Malattie neurodegenerative . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147Morbo (o malattia) di Parkinson . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148Tumori del SNC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153Gliomi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154Malattie cerebrovascolari . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157

Letture consigliate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159Box 10.1. Cervello, immunità e infiammazione . . . . . . . . . . . . . . . . 159Box 10.2. Come muore un neurone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161

Appendice 1 – Chi sono i neuroscienziati? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167

Appendice 2 – Premi Nobel in Fisiologia o Medicina e in Chimicaper studi di neuroscienze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169

Glossario . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173

IndiceXII