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martedì 24 agosto 2010

Psicobiologia: gli ormoni

Dal punto di vista chimico gli ormoni appartengono a tre diverse categorie:
Peptidi e proteine (da pochi a centinaia di aminoacidi)
Sono idrofilici e legano ad un recettore di membrana
ossitocina, ADH, tropine ipofisarie, somatotropo, prolattina, insulina, ...
Steroidi (lipdi complessi affini al colesterolo)
Sono idrofobici, attraversano la membrana, e si combinano con un recettore citoplasmatico che va ad agire a livello di DNA.
cortisolo, aldosterone, androgeni, testosterone, ...
Amine (derivati dagli aminoacidi con perdita del gruppo COOH)
Sono idrofilici e si legano ad un recettore di membrana
tiroxina, ...
Alcune molecole possono svolgere sia il ruolo di neurotrasmettitore che di ormone. Ad esempio la noradrenalina è liberata da alcuni neuroni per la comunicazione sinaptica, ma è un ormone quando è increta dalle ghiandole surrenali e interferisce col funzionamento di muscoli, vasi sanguigni, cuore, cellule epatiche etc.
In genere un ormone idrofilico ha lo stesso funzionamento di una sinapsi indiretta, ma partecipa ad una catena di eventi cellulari maggiore, per cui più modulabile.
La maggior parte delle volte la secrezione degli ormoni e guidata da un meccanismo a feedback negativo. Questo è un sistema che cerca di mantenere costante nel tempo una certa variabile. Molti ormoni hanno una comunicazione autocrina verso la stessa ghiandola che li ha increti in modo da modulare la liberazione e la produzione.
Esistono anche meccanismi a feedback positivo, ma sono rari nei sistemi biologici, ed avviene quando il sistema accentua un cambiamento quando una variabile si scosta da un valore prefissato (ad esempio il potenziale d’azione e il meccanismo del parto).

Psicobiologia: elementi di endocrinologia

All’interno dell’organismo la comunicazione chimica regola molte funzioni importanti che vanno dal differenziamento cellulare al controllo del comportamento (ormoni, prostaglandine, neurotrasmettitori). Gli stessi composti, oppure altre molecole chimiche, possono essere impiegate per la comunicazione chimica tra differenti individui della stessa specie o in qualche caso tra specie diverse (feromoni).

Il sistema endocrino
• presiede all’omeostasi mantenendo i parametri fisiologici entro limiti prefissati.
- Mantiene l’equilibrio idrico-salino
- Mantiene costanti le concentrazioni ematiche
- Controlla il metabolismo energetico
• Controlla le alterazioni funzionali dello stato interno
- Reazione allo stress
    La noradrenalina e l’adrenalina preparano l’organismo alla lotta-fuga.
- Riproduzione
    In diversi periodi dell’anno la concentrazione diversa di androgeni nel fringuello maschio produce adattamenti fisiologici e comportamenti diversi.
• Ha effetti organizzativi sullo sviluppo
- Sviluppo e accrescimento
    Le api svolgono attività nel loro alveare che dipendono dalla concentrazione dell’ormone YH (youth hormone) che tende a crescere con l’età.
- Differenziamento sessuale
    Promuovono lo sviluppo di caratteri sessuali secondari.

In un organismo il sistema endocrino e il sistema nervoso operano nella trasmissione di informazioni, ma il primo ha effetti più lenti che si protraggono nel tempo, mentre il secondo veloci e limitati nel tempo.

La comunicazione chimica è differenziata in base all’ampiezza del suo effetto:
- Sinaptica
Si tratta di una comunicazione molto localizzata tra le fessure sinaptiche dei neuroni con neurotrasmettitori.
- Autocrina
Nella comunicazione autocrina il neurotrasmettitore comunica agli autorecettori del neurone pre-sinaptico, cioè con se stesso.
- Paracrina
Un messaggero chimico è lasciato diffondere nei pressi di altre cellule e ne influenza la fisiologia.
    > Neuromodulazione
        Le sinapsi neuromodulatorie sono caratterizzate da una fessura più ampia e rilasciano un NT che influenza le cellule vicine riducendo o potenziando l’effetto di altri NT.
    > Effetti dell’istamina
        In seguito a lesioni dei tessuti si ha la liberazione di istamina che diffonde localmente allo scopo di:
        • Coordinare la risposta immunitaria
        • Causare un processo infiammatorio
        • Provocare iperalgesia (sensibilità maggiore al dolore)
    > Inibizione paracrina tra insulina e glucagone
        Oltre ad avere effetti antagonisti sulla glicemia a livello sistemico, i due ormoni pancreatici, inibiscono a livello locale la reciproca increzione.
- Endocrina e neurosecretiva
Questo tipo di comunicazione si distingue dagli altri perché il messaggero chimico (ormone) viene rilasciato nel sistema circolatorio e raggiunge tutti i tessuti dell’organismo.
Le cellule che producono gli ormoni sono quasi sempre raggruppate in strutture chiamate ghiandole endocrine. Nel SNC queste cellule sono neuroni e riversano il loro contenuto nel flusso ematico. In questo caso si parla di neurosecrezione.
Benché gli ormoni raggiungano tutte le cellule dell’organismo, rispondono al segnale solo quelle che dispongono di un recettore per quell’ormone. Il recettore può trovarsi nella membrana plasmatica o nel citoplasma dipendentemente dalla natura chimica dell’ormone.
Esistono anche ghiandole esocrine (salivari, sudoripare, etc.) che non riversano il contenuto nel flusso ematico e sono sempre provviste di un dotto.
- Feromonale
Sono molecole chimiche in grado di influenzare il comportamento di un cospecifico. Spesso i feromoni sono ormoni o loro metaboliti, cioè stadi chimici di androgeni o estrogeni.
I feromoni:
    • permettono l’attrazione a distanza. Alcuni insetti sono sensibili a una sola molecola di feromone sparsa nell’aria a distanza di un chilometro.
    • Forniscono informazioni sullo stato riproduttivo.
    • Marcatura del territorio.
    • Indicatori di status.
    • Traccia del percorso.
    • Inibizione riproduttiva.
    • Allarme.

- Alloferomonale
Alcuni segnali chimici sono rivolti ad individui di specie diversa.
Come nei fiori che con il loro profumo invitano gli insetti a propagare i loro gameti.
Ma sono più i casi in cui viene imitato il segnale di una specie da parte di un’altra per imbrogliare.

Psicobiologia: elementi di psicofarmacologia

Con farmaco si intende tutte le sostanze che hanno effetto sul funzionamento del SN. Oltre ai NT esistono molte altre sostanze psicotrope che agiscono sul SN. Tra le sostanze endogene citiamo i NT, i neuromodulatori, gli ormoni, i II messaggeri che sono creati dall’organismo stesso per alterare il funzionamento della sinapsi. Ci sono tuttavia sostanze esogene in grado di interferire con il funzionamento della sinapsi, tra cui i veleni animali e vegetali e le sostanze psicoattive come i psicofarmaci e le droghe (sostanze d’abuso).

La farmacodinamica riguardano il modo in cui i farmaci agiscono sull’organismo. Un farmaco può avere due effetti sulla trasmissione sinaptica.
L’agonista di un NT è un sostanza che aumenta gli effetti.
Può agire a livello pre-sinaptico aumentando la sintesi o il rilascio di NT (veleni) o aumentando la permanenza del NT nella fessura sinaptica inibendo la ricaptazione o inibendo l’inattivazione enzimatica (psicofarmaci).
A livello post-sinaptico si lega al sito per il NT con attività simile o più intensa; aumenta l’affinità per il NT; potenzia gli effetti del NT.
L’antagonista del NT riduce o blocca l’effetto.
L’antagonista può agire a livello pre-sinaptico inibendo la sintesi del NT o inibendo il rilascio del NT.
A livello post-sinaptico diminuisce l’affinità del recettore per il NT od occupa il sito attivo tuttavia non manifestando effetti.
Sia gli agonisti che gli antagonisti possono legare al sito attivo del NT del recettore oppure a dei siti attivi del recettore sensibili ad altre molecole endogene. In molti casi non è ancora nota la sostanza endogena che va ad interagire con questi siti.
Le sostanza oppiacea morfina è stata scoperta prima del corrispettivo endogeno, l’endorfina. Più recentemente sono state scoperte le sostanze endogene che legano al sito attivo dei cannabinoli, l’anandamide e 2-AG dette endocannabinoidi.
Le benzodiazepine (ansiolitici) agiscono selettivamente su sottoclassi dei canali GABAA.
L’alcol aumenta l’azione del GABAA e inibisce i canali NMDA.
L-dopa (terapia parkinson) aumenta la sintesi della dopamina.
Il curaro blocca i recettori nicotinici.
La nicotina stimola i recettori nicotinici.
Cocaina e anfetamina bloccano la ricaptazione della noradrenalina e della dopamina. La cocaina in particolare sul sistema dopaminergico e provoca forte dipendenza, perché il sistema dopaminergico è legato al piacere e al rinforzo positivo.
I cannabinoli agiscono sugli autorecettori pre-sinaptici inibendo il rilascio di NT. Agiscono sul sistema glutammaergico e GABAergico.
La caffeina aumenta il rilascio di glutammato.
Gli antidepressivi di I generazione inibiscono le MAO che inattivano le catecolamine nella fessura sinaptica.
Gli antidepressivi II generazione (Prozac) bloccano la ricaptazione della serotonina.
Alcuni anestetici locali (es. lidocaina) agiscono legando ai canali ionici voltaggio-dipendenti del SNP limitando il potenziale d’azione.

La farmacocinetica è il processo attraverso il quale i farmaci vengono assorbiti, distribuiti all’interno dell’organismo, metabolizzati ed escreti. Il 99% delle sostanze psicoattive agiscono sul SNC pertanto deve attraversare la barriera emato-encefalica e penetrare nel tessuto nervoso. Le sostanze esogene vengono continuamente rimosse tramite sistemi enzimatici presenti nel sangue e soprattutto nel fegato e tramite l’escrezione con le urine.
La farmacocinetica di una sostanza dipende fortemente dalla modalità di somministrazione (endovenosa, fumata, orale, intranasale, etc.). Tra i fattori che determinano la velocità con cui un farmaco raggiunge i siti d’azione c’è la capacità di attraversare la barriera emato-encefalica e questo dipende molto dalla liposolubilità della molecola, perché vengono trattenute le molecole idrosolubili. Ad esempio morfina ed eroina all’interno dell’encefalo hanno la stessa efficacia di azione, tuttavia l’eroina è molto più liposolubile ed è un effetto più rapido ed intenso.
Per quanto riguarda l’efficacia di un farmaco, alcuni farmaci sono attivi in piccole dosi, altri solo a grandi concentrazioni. Per valutare l’efficacia si somministra un farmaco a diversi soggetti (correggendo per il peso corporeo) e misurando in modo obiettivo gli effetti. In questo modo si elabora una curva dose-risposta. In genere si tratta di un sigmoide in cui si ha una quantità minima per rilevare l’effetto, poi aumenta linearmente fino a quando un aumento di dose non aumenta l’effetto.
La maggior parte dei farmaci ha più di un effetto. Alcuni sono effetti collaterali dannosi, come la morfina che ad alte dosi deprime il sistema respiratorio e provoca morte per asfissia. Un buon farmaco deve avere un buon indice terapeutico, cioè il rapporto tra dose-risposta per gli effetti desiderati dose-risposta per gli effetti collaterali. La distanza tra i due dose-risposta è detto margine di sicurezza. Tecnicamente l’indice terapeutico è il rapporto tra la dose che produce l’effetto tossico sul 50% dei soggetti e la dose che produce gli effetti desiderati nel 50% dei soggetti. Ad esempio l’indice è tra 2 e 3 per i barbiturici mentre è circa 100 per le benzodiazepine (valium). Ciò significa che è molto facile sbagliare dose accidentalmente con conseguenze fatali nel primo caso che nel secondo.
Se un farmaco viene somministrato ripetutamente la sua farmacocinetica normalmente si modifica.
L’effetto più frequente è quello della tolleranza. Con l’uso prolungato i suoi effetti sono sempre meno efficaci e le dosi sempre maggiori. La tolleranza è il tentativo dell’organismo di compensare gli effetti del farmaco in modo da ottenere un livello ottimale di funzionamento. In generale la tolleranza può dipendere da molti fattori, quali ad esempio la capacità accresciuta da parte del fegato e di altri meccanismi di metabolizzare il farmaco. A livello neurale dipende da modificazioni indotte a livello di sinapsi. Possono essere prodotti canali che hanno un’affinità ridotta con il farmaco; possono essere ridotti i canali sulla membrana; possono modificarsi la produzione e l’inattivazione dei secondi messaggeri. Per ogni effetto si verificano tolleranze diverse. Ad esempio per le benzodiazepine la tolleranza per l’effetto ipnotico è molto rapida, mentre per l’effetto ansiolitico la tolleranza si verifica in maniera trascurabile.
Un aspetto secondario del fenomeno della tolleranza sono i sintomi di astinenza, cioè effetti opposti a quelli indotti dal farmaco. Infatti il metabolismo può essere stato tarato per l’arrivo di un dato farmaco agonista di un NT e con il tempo la pre-sinapsi produce sempre meno NT.
L’effetto opposto alla tolleranza è la sensibilizzazione, per cui a dosi simili il farmaco produce effetti sempre maggiori. Ad esempio gli effetti euforizzanti della cocaina sviluppano tolleranza, mentre i sintomi secondari come il disturbo nel movimento va incontro a sensibilizzazione.
Levin (1979) ha studiato le basi biologiche dell’effetto placebo, cioè una somministrazione di un farmaco non attivo che però produce effetti misurabili nel soggetto.

Psicobiologia: classificazione delle sinapsi

Sinapsi elettriche
Le membrane plasmatiche sono addossate una all’altra con fessure plasmatiche di 3,5 nm con ritardi di 0,1ms.
Il potenziale d’azione è condotto direttamente dalla cellula pre-sinaptica alla post-sinaptica.
Si incontra di rado nel SN perché non è una struttura tipica dei neuroni.
Il potenziale è trasmesso attraverso i connessoni, molto più ampi dei canali ionici, in giunzione comunicante.
Non permettono l’integrazione dei segnali sinaptici e sono bi-direzionali.
Sono utilizzate quando serve rapidità di trasmissione e quando è richiesta la sincronizzazione nell’attività di più cellule.
- Eccitatorie
Nel sistema visivo dei vertebrati, nella retina, nel cuore.


Sinapsi chimiche
La fessura sinaptica distanzia i neuroni da 20 a 50 nm, il ritardo è di 0,5-5ms.
Il potenziale d’azione è convertito dal neurone pre-sinaptico in neurotrasmettitore che depolarizza (PPSE) o iperpolarizza (PPSI) il neurone post-sinaptico con un potenziale post-sinaptico PPS. Il NT non entra mai nella cellula post-sinaptica, ma influenza solo dalla fessura.
Si differenziano per la reazione del neurone post-sinaptico.

Esiste una classificazione per morfologia della sinapsi per identificare a colpo d’occhio se una sinapsi è eccitatoria o inibitoria.
Il tipo I di Gray (fessura sinaptica 30nm, specializzazioni di membrana asimmetriche, zone attive spesse ed estese, vescicole sinaptiche tondeggianti, spine dendritiche spesso presenti e localizzazione asso-dendritica) corrisponde alle eccitatorie.
Il tipo II di Gray (fessura sinaptica 20nm, specializzazioni di membrana simmetriche, zone attive sottili ed poco estese, vescicole sinaptiche ovoidali, spine dendritiche normalmente assenti e localizzazione asso-somatica) corrisponde alle inibitorie.

- Dirette o ionotropiche
Il NT va ad agire su un canale ionico trasmettitore dipendente che permette l’entrata o uscita degli ioni al legame con il NT. È sufficientemente veloce, però una sola trasmissione non è sufficiente allo sviluppo del potenziale d’azione.
- Giunzione neuro-muscolare
Non vale la classificazione di Gray perché morfologicamente diversa dalle sinapsi del SN.
La membrana post-sinaptica (placca motoria) è di una fibra muscolare a contatto con un motoneurone ed è molto più grande di una sinapsi neurale. Le specializzazioni di membrana sono specifiche sia nel neurone pre-sinaptico (filamento denso come zona attiva), sia nella placca motoria (pieghe giunzionali).
Il NT è l’acetilcolina e viene liberata solo per eccitare, in quantità 200 volte superiori alla normale comunicazione sinaptica. Il canale colinergico è detto recettore nicotinico.
- Eccitatorie
Il principale NT è il glutammato. Di solito sono asso-dendritiche e servono centinaia o migliaia di PPSE per ottenere un potenziale d’azione post-sinaptico.
- Inibitorie
I principali NT sono la glicina e il GABA. Di solito sono asso-somatiche o asso-assoniche per il fatto che il PPSI è più tenue rispetto al PPSE e così il ritardo di propagazione del PPSE viene compensato.
Esiste un secondo meccanismo chiamato inibizione per derivazione che agisce solo quando il neurone è eccitato. Infatti l’ECl è vicino al Vm, per cui aprendo i canali Cl- non avviene nessuna iperpolarizzazione fino a che non cambia il Vm.
- Indirette o metabotropiche o accoppiate a proteina G o a secondo messaggiero
Il NT va ad agire su un recettore di membrana, chiamato recettore di membrana associato a proteina G, il quale dà inizio ad una serie di eventi interni alla cellula che come ultimo passaggio hanno l’attivazione del canale ionico. È molto più lento però permette una reazione maggiore in durata e intensità. Le proteine G sono proteine di membrana che si associano ai recettori NT-dipendenti che si modificano all’interno e le scindono in tre subunità.
Naturalmente non esiste un’unica proteina G, ma delle famiglie. La proteina G non è specifica dei neuroni, ma è tipica della comunicazione di altri tipi di cellula.
La scissione avviene attraverso la molecola di GTP (guanosintrifosfato) che sostituisce la GDP nella subunità α.
Ogni subunità assume proprietà e funzioni diverse. La subunità α ricerca un target per scatenare la reazione.
Nella via breve la subunità α della proteina G cerca direttamente un canale ionico.
Nella cascata del II messaggero la subunità α della proteina G attiva un enzima che produce una molecola solubile detta II messaggero che attiva un secondo enzima che infine attiva il canale ionico. Il II messaggero funziona come una sorta di NT interno che può modificare il metabolismo cellulare e l’espressione genica del neurone, perciò l’effetto dura molto più a lungo.
La molecola di II messaggero più diffusa è l’AMPc (Adenosinmonofosfato ciclico) derivato dall’ATP modificato dall’enzima è l’adenilato ciclasi. L’AMPc attiva la protein chinasi che cede un fosforo che infine attiva il canale ionico.

La prima caratteristica delle sinapsi indirette è l’amplificazione dell’effetto dell’NT. Infatti nelle ionotropiche una molecola di NT apre un canale, nelle metabotropiche una molecola di NT apre migliaia canali ionici per l’effetto cascata delle reazioni interne.
La seconda caratteristica delle sinapsi indirette è l’ampiezza dell’effetto nella cellula. Nelle ionotropiche l’effetto è poco esteso, nelle metabotropiche l’effetto si estende in tutto il neurone.
La terza caratteristica delle sinapsi indirette è la durata dell’effetto nella cellula. Nelle ionotropiche l’effetto è istantaneo, nelle metabotropiche l’effetto perdura fino a quando tutte le reazioni interne non vengono terminate, ma è ritardato.

Le sinapsi indirette sono ampiamente modulabili. Infatti la subunità β può attivare a sua volta altri II messaggero. Alcuni ormoni influenzano altri recettori che danno origine a cascate di II messaggero che può, ad esempio, inibire la sintesi di AMPc.
- Eccitatorie
- Inibitorie
- Neuromodulatorie
Di solito sono asso-assoniche.

Integrazione dei potenziali post-sinaptici
L’attività elettrica dei neuroni dipende dalla quantità di segnali sinaptici eccitatori e inibitori ricevuti, la posizione in cui sono situati i contatti sinaptici e della costante di spazio e la costante di tempo delle diverse porzioni del neurone.

La sommazione spaziale avviene quasi algebricamente, PPS = PPSE – PPSI, fino alla soglia del potenziale d’azione. A livello spaziale la sommazione dipende la geometria della sinapsi e dalla costante di spazio.
L’efficacia di una sinapsi diminuisce con la distanza, ma ciò varia da cellula a cellula e in parti diverse della stessa cellula. Il grado di attenuazione del segnale è dipendente dalla costante di spazio, cioè la distanza alla quale il valore del PPS è il 37% del suo valore iniziale. La costante dipende dalla sezione del dendrite e dalla resistenza della sua membrana.

L’effetto dei PPS non cessa immediatamente dopo la stimolazione, nel neurone post-sinaptico perdura per un periodo variabile.
Il calcolo della durata del segnale dipende dalla costante di tempo e definisce il tempo dopo il quale il PPS è sceso del 37% rispetto al suo valore iniziale e varia tra 1ms a 20ms.
La sommazione temporale avviene in dipendenza alla costante di tempo, più è maggiore tanto più è possibile che inneschi un potenziale d’azione.

Esistono delle eccezioni. Alcuni neuroni hanno una frequenza di scarica spontanea prodotta dal proprio metabolismo. Alcuni dendriti molto estesi hanno necessità di riamplificare il PPS, ma normalmente la trasmissione è elettrotonica.

Psicobiologia: il ciclo dei neurotrasmettitore

Sintesi e immagazzinamento
La sintesi dei NT a basso peso molecolare avviene direttamente nella sinapsi. Vengono immagazzinati in vescicole sinaptiche da proteine carriers nelle cisterne.

La sintesi dei NT ad alto peso molecolare vengono prodotti nel soma dal reticolo endoplasmatico rugoso e poi rielaborati dall’apparato del Golgi. Le vescicole, granuli secretori, contenenti NT gemmano e poi vengono trasportate con trasporto asso-plasmatico anterogrado nelle sinapsi.
I NT ad alto peso molecolare una volta liberati non possono essere recuperati ed è necessario sintetizzarli nuovamente.

Ogni neurone libera un solo tipo di NT a basso peso molecolare, tuttavia può co-esistere un NT peptidico.
Liberazione
Una volta giunto al bottone sinaptico, il potenziale d’azione attiva i canali ionici Ca++ voltaggio-dipendenti che si trovano nelle vicinanza delle zone attive. Il calcio è estremamente più concentrato all’esterno, perciò aperto irrompe nella cellula.
Il catione bivalente calcio attiva il meccanismo delle proteine SNARE che aprono la vescicola il cui contenuto si riversa (esocitosi) nella fessura sinaptica attraverso il poro di fusione (0.2ms). La vescicola si incorpora con la membrana della sinapsi.
Attraverso l’endocitosi la membrana in eccesso viene recuperata ed inviata alle cisterne che creano nuove membrane e le riempiono di NT. Il processo dura circa un minuto.
Allo stesso tempo l’ione avvicina le altre vescicole sinaptiche più arretrate disancorandole dal citoscheletro.
Nella giunzione neuromuscolare vengono liberate anche 200 vescicole, nel SNC al massimo 2 per ogni potenziale d’azione.
Per le molecole ad alto peso molecolare l’esocitosi dei granuli secretori non avviene presso le zone attive e richiede molto più Ca++ quindi una stimolazione prolungata che non permette alle pompe Ca++ di espellerlo dalla cellula. La latenza può essere anche di 50ms e l’effetto al rilascio sul neurone post-sinaptico è molto più duraturo. Spesso l’azione è di tipo neuromodulatorio, cioè influenza l’effetto dell’NT a basso peso molecolare.
Rimozione e recupero
Il NT deve essere rimosso continuamente dalla fessura sinaptica, se non fosse così il neurone post-sinaptico non potrebbe percepire differenze di concentrazione del NT accumulato.
I meccanismi di rimozione sono tre e agiscono contemporaneamente.
L’inattivazione enzimatica è il più rapido e fa sì che enzimi presenti nella fessura sinaptica modifichi la struttura molecolare dell’NT o lo converta in più molecole. Questi metaboliti poi vengono riassunti dalla cellula per la creazione di nuovo NT.
Per la catecolamine il enzimi inattivanti sono Monomminossidasi (Mao); per l’acetelcolina è l’acetilcolinesterasi che scinde in acido acetico e colina.
La diffusione fa sì che il NT sfugga fuori dalla fessura sinaptica e gli astrociti lo catturano per poi restituirlo al neurone.
La ricaptazione è un meccanismo del neurone pre-sinaptico che riconosce il NT e lo riassorbe.

In molte sinapsi dei neuroni pre-sinaptici, inoltre, esistono degli autorecettori che di solito hanno funzione inibitoria, quindi modulano la fuoriuscita di nuovo NT nella fessura.

Psicobiologia: le sinapsi

La sinapsi è la struttura neuronale nella quale i segnali sono trasferiti da un neurone all’altro. La sinapsi è composta da un neurone pre-sinaptico, una fessura sinaptica e un neurone post-sinaptico. Può essere, di norma,o eccitatoria o inibitoria, ma lo stesso neurone può ricevere molteplici contatti sinaptici sia eccitatori che inibitori.
Dipendentemente dalla localizzazione della sinapsi si possono distinguere in trasmissioni: asso-dendritiche, asso-assoniche e asso-somatiche.


La terminazione pre-sinaptica
Nella terminazione pre-sinaptica sono contenuti:
• Mitocondri per la produzione di ATP necessario alla sintesi del NT, attività enzimatica, trasporto NT all’interno della terminazione e nelle vescicole, per le pompe Na/K e Ca.
• Vescicole sinaptiche che contengono NT a basso peso molecolare.
Zone attive in cui le vescicole riversano il contenuto.
Granuli secretori , non tutte le pre-sinapsi, liberano NT peptidici ad alto peso molecolare.

I neurotrasmettitori
Vengono prodotti dal neurone pre-sinaptico e ad oggi ne sono stati identificati oltre 70. Alcuni sono molti diffusi, altri sono circoscritti a piccole zone del SN.
Dal punto di vista chimico sono:
- A basso peso molecolare
    • Amminoacidi
    Sebbene siano ubiquitarie in tutto l’organismo non si trovano al di fuori della cellula.
        - Glutammato (Glu)
        Solo eccitatore.
        - Glicina (Gly)
        Solo inibitore.
        - GABA (acido gamma-aminobutirrico)
        Un amminoacido modificato, solo inibitore. Il suo precursore è il gluttamato.
    • Ammine   
        - Acetilcolina (Ach)
        Tipico NT eccitatore della giunzione neuro-muscolare.
        Viene prodotta dalla sinapsi ed è composta da acetil CoA (prodotto della respirazione cellulare) e dalla colina. L’enzima incaricato della reazione di creazione è la ChAT
        Viene inattivato dalla acetilcolinesterasi (AChE) che lo scinde in acido acetico e colina che viene riassunta dalla sinapsi colinergiche.
        - Dopamina (DA)
        - Noradrenalina (NA)
        - Adrenalina
        - Serotonina (5-HT)
        Dopamina, noradrenalina e adrenalina derivano tutte dalla stessa linea metabolica e collettivamente vengono chiamate catecolamine. Il precursore delle catecolamine è la tirosina, ormone tiroideo, che viene convertito in L-dopa (mancante nei parkinsoniani), precursore della DA. La DA è precursore della NA, che è precursore dell’adrenalina.
Il precursore della serotonina è il triptofano. Le catecolamine vengono inattivate della monoamminossidasi (Mao).

- Ad alto peso molecolare
    Da 5 ad alcune decine di amminoacidi.
    Vengono rilasciate in zone molto ristrette del SN.
        • Peptidi
            - Encefaline (Enk)
            - Somatostatina
            - Neuropeptide Y
            - Sostanza P
            - etc.
         • Gas
             Scoperti recentemente come NT.
             - Monossido di azoto (NO).

Alcuni NT sono esclusivamente eccitatori (ad esempio Glutammato). Altri esclusivamente inibitori (ad esempio GABA e Glicina).
La maggior parte possono essere sia eccitatori che inibitori a seconda del tipo di recettore o di canale ionico impiegato nella trasmissione post-sinaptica.

Struttura e sottotipi dei canali ionici
Tutti i canali ionici sono composti di più subunità, di cui esistono delle varianti strutturali che cambiano la permeabilità, la durata di apertura etc. Di ogni canale ionico esistono in realtà delle famiglie di canali ionici che differiscono per alcuni amminoacidi. Il tratto M2 è quello che si affaccia sul poro del canale e ne determina la selettività.
Nella giunzione neuromuscolare è presente un canale colinergico composto di 5 subunità, di cui due dell’α. Ciascuna subunità è composta da quattro tratti di α-elica paralleli che attraversano la membrana. L’unità α ha il sito attivo per l’Ach, in questo caso due. Infatti il canale Ach è un’eccezione perché richiede il legame di due molecole di NT. È poco selettivo nella permeabilità del catione, infatti fa passare sia Na+ che K+.
Il canale ionico muscolare è detto recettore nicotinico, ma si trova in tutto il SN. Prende il suo nome dell’agonista che aumenta l’efficacia dell’acitelcolina sui canali ionici, cioè la nicotina. In natura si trovano tossine animali e vegetali antagoniste del recettore nicotinico, cioè che inibiscono la sua efficacia, tra cui il curaro e la tossina del cobra.
Esiste anche un recettore muscarinico il cui agonista è la muscarina, ma non si tratta di un canale ionico trasmettitore-dipendente, ma di un recettore accoppiato a proteina G cioè indiretto o metabotropico. Antagonista dei muscarinici è l’atropina, in alte dosi nei fiori della belladonna.
Il canale glutammaergico, attivato dal glutammato e quindi eccitatorio, si divide in tre sottotipi base all’antagonista in canali AMPA, NMDA e kainato. Il recettore NMDA è permeabili a tutti i cationi (K+, Na+ e Ca++). È normalmente ostruito dal Mg++ (catione bivalente magnesio) che si toglie quando raggiunge -35mV, per cui è contemporaneamente trasmettitore-dipendente e voltaggio-dipendente. Sono sempre accoppiati a recettori AMPA e kainato e forniscono una componente tardiva del PPS che ne prolunga l’effetto. La permeabilità al Ca++ influisce più che alla depolarizzazione, alla modificazione metabolica del neurone. Infatti svolge importanti funzioni nel consolidamento della traccia mnestica nei circuiti neurali che presiedono alla memoria.
Il canale GABAergico, attivato dal GABA e quindi inibitorio, si divide nei due sottotipi GABAA e GABAB. GABAA è un canale anionico permeabile al Cl-, ma ha un effetto minore del PPSE perché il Cl- va contro il gradiente elettrico. GABAB è un recettore impegnato nelle sinapsi indirette. GABAA lega con una moltitudine di molecole agoniste (barbiturici, benzodiazepine, alcool etilico etc.) oltre al NT. D’altronde ogni molecola non è in grado di aprirlo di per sé, ma modifica il funzionamento. È composto di 5 subunità, ma di ognuna sono presenti decine di varianti, potendo ottenere così migliaia di canali GABAA diversi.

Psicobiologia: le fasi del potenziale d'azione

 • Potenziale di riposo
i canali Na+ voltaggio-dipendenti e i canali K+ voltaggio-dipendenti, concentrati nel monticolo assonico e nei nodi di Ranvier, sono chiusi.
Depolarizzazione
il potenziale di membrana (Vm), non ha oltrepassato il valore di soglia.
Fase crescente
Oltrepassato il valore di soglia alcuni canali Na+ voltaggio-dipendenti iniziano ad aprirsi depolarizzando il Vm ulteriormente. Altri canali Na+ voltaggio-dipendenti con sensibilità diversa entrano in azione a catena finché viene raggiunto il potenziale a punta.
Potenziale a punta
I canali sono sensibili al voltaggio e si inattivano con un meccanismo temporizzato dopo circa 1ms. Entra molto più Na+ di quanto non esca K+ e in questa situazione il Vm si assesta a +50mV. A questo punto, superata la soglia del potenziale d’azione, 1ms dopo, i canali K+ voltaggio-dipendenti si aprono.
Fase decrescente
La cellula viene ripolarizzata molto velocemente a causa dei gradienti di concentrazione degli ioni K+ e le differenze elettriche.
Iperpolarizzazione
In questa fase ci sono molti canali K+ aperti e la cellula iperpolarizza e poi si ristabilisce a -65mV.
Periodo refrattario assoluto
Vm torna ad essere quello di riposo tuttavia non è possibile una nuova depolarizzazione per meno di 1ms a qualche ms.
Questo limita le scariche al secondo a circa 500Hz.
Periodo refrattario relativo
In questa fase alcuni canali Na+ voltaggio-dipendente sono inattivi perciò serve uno stimolo più forte del normale per scatenare un nuovo potenziale d’azione. Determina una relazione tra intensità della stimolazione e frequenza di scarica.

Alcuni neuroni hanno periodi refrattari brevissimi, altri hanno frequenze che cambiano nel corso del tempo, altri hanno dei burst e periodi refrattari più lunghi.

La conduzione del potenziale d’azione
Nel monticolo assonico, ricco di canali Na+ voltaggio-dipendenti, diversi segnali elettrici giungono alla cellula e vengono integrati per dare luogo al potenziale d’azione. I segnali possono essere eccitatori o inibitori. I primi fanno scattare il potenziale d’azione.
Una volta scatenato inizia a propagarsi nell’assone non mielinizzato, ma non in maniera elettrotonica perché il citoplasma non è un buon conduttore, aprendo canali voltaggio-dipendenti al passaggio del potenziale d’azione attivamente. La velocità è bassa.
Nell’assone mielinizzato, nei pressi della guaina mielinica, il segnale può viaggiare come se fosse un potenziale graduato, cioè in modo passivo e pressoché istantaneo con dispersione di corrente. Il nodo di Ranvier, ricco di canali Na+ voltaggio-dipendenti, riamplifica il segnale.

Psicobiologia: il neurone

Le vescicole secretorie si originano nel reticolo endoplasmatico rugoso quindi migrano nell’apparato del Golgi dove infine maturano e migrano verso la destinazione finale. Nel caso delle vescicole sinaptiche migrano verso le sinapsi.
Le proteine prodotti nei ribosomi liberi sono destinate al citoplasma, nucleo, mitocondri e perossisomi; quelle prodotte da ribosomi associati al reticolo endoplasmatico rugoso sono proteine di membrana o proteine secretorie.
I primi 10 aminoacidi fungono da sequenza segnale, che poi verrà staccata.
Il citoscheletro (neurofilamenti) dà forma e resistenza meccanica alla cellula; mantiene gli organi citoplasmatici alla posizione corretta; è implicato nel movimento della cellula; svolge un ruolo chiave nella divisione cellulare (microfilamenti). Nel neurone, il citoscheletro funziona da binario per il trasporto di materiale lungo l’assone (microtubuli).

Il trasporto assonale o assoplasmatico può avvenire in tre modi:
anterogrado rapido (410mm/giorno) per trasporto organuli o vescicole dal soma alla sinapsi (microtubuli+chinesina)
retrogrado rapido (200-300mm/giorno) per trasporto organuli o vescicole dalla sinapsi al soma (microtubuli+dineina)
assonale lento – componente lenta (2.5mm/giorno) – componente veloce (5mm/giorno) per trasporto enzimi e altre macromolecole
Il citoscheletro impedisce che le proteine di membrana cambino posizione e la membrana cambia di composizione nei vari punti della membrana dei neuroni.

I canali ionici
Nel neurone gli ioni importanti per il funzionamento sono i tre cationi K+ (potassio), Na+ (sodio), Ca++ (calcio) e l’anione Cl- (cloro).
I canali ionici permettono agli ioni di entrare nella cellula e sono estremamente selettivi. I canali ionici passivi sono sempre aperti, mentre i canali ionici ad accesso variabile sono aperti in base a certe condizioni: 1) messaggeri chimici provenienti dall’esterno della cellula; 2) risponde al secondo messaggero prodotto internamente alla cellula; 3) in base alla variazione del voltaggio tra interno ed esterno alla cellula; 4) in base alla sollecitazione meccanica prodotta dal citoscheletro collegato alla membrana.

I metodi di ricerca utilizzati per studiare i canali ionici sono: il sequenziamento degli aminoacidi, la mappa di idrofobicità, patch-clamp e analisi immunocitochimica.


Il potenziale di membrana
I segnali trasmessi dal SN sono costituiti da rapide variazioni di potenziale di membrana delle cellule nervose.
I potenziali di membrana sono di tre tipi: 1) potenziale di riposo; 2) potenziali graduati (potenziali locali); 3) potenziale d’azione (spike o impulso nervoso).
Il potenziale di riposo del neurone è -65mV e significa che ci sono più anioni all’interno nella cellula che all’esterno.
I potenziali graduati sono di recettore o pre-sinaptici e post-sinaptici inibitori e eccitatori. La variazione del voltaggio è proporzionale all’intensità della corrente applicata, ma raggiunge e torna al valore di riposo solo gradualmente. La variazione è pressoché simultanea in punti diversi, ma decresce man mano che ci si distanzia dal punto di stimolazione.

Quando la cellula diventa meno negativa depolarizza, mentre quando diventa più negativa iperpolarizza.
Il potenziale d’azione si raggiunge depolarizzando la cellula oltre una soglia.


Concentrazione e potenziale di equilibrio degli ioni
Per omeostasi gli ioni tendono a concentrarsi in maniera uniforme dentro e fuori dalla cellula. Il K+ è concentrato 20:1 nella cellulla, il Na+ è meno concentrato nella cellula, 1:10. Il Cl- è concentrato all’esterno 1:11, mentre il Ca++ è decisamente raro nella cellula 1:10000.
Con questa premessa il K+ tenderà ad uscire verso l’esterno iperpolarizzando la cellula, mentre il Na+ ad entrare depolarizzandola.
Essendo gli ioni carichi elettricamente occorre tenere conto delle forze elettriche in ballo e del gradiente elettrico. Per cui si può osservare il gradiente di concentrazione che dà contro al gradiente elettrico.
Il potenziale di equilibrio per un ione (E) è una grandezza che esprime la differenza di potenziale per avere equilibrio tra i due gradienti per un ione. Può essere calcolato tramite l’equazione di Nernst. Il K+ ha per la cellula un EK di -80mV e per il Na+ un ENa di +62mV.
Perché Vm è -65mV? La cellula tende a perdere K+ per il gradiente di concentrazione e questo iperpolarizza la cellula portando Vm vicino a EK.
L’estensione dell’equazione di Nerst, l’equazione di Goldman, permette di calcolare il Vm tenendo conto della presenza di più ioni.

Psicobiologia: anatomia del sistema nervoso centrale

Il SNC è 1) racchiuso dalle ossa (cranio e colonna vertebrale) ad eccezione della retina che ha la stessa origine embriologica; 2) non è bagnato dal torrente ematico, anche se percorso da vasi sanguigni, la barriera emato-encefalica impedisce il contatto del sangue con i neuroni. 3) È racchiuso da tre strati di membrane dette meningi per non far impattare direttamente il tessuto morbido del SNC contro la durezza dell’osso.
Appena sotto all’osso c’è la dura madre che ha la consistenza del cuoio, sotto di questa l’aracnoide e infine la pia madre, morbida e segue la sagoma dei solchi del SNC ed è completamente aderente. Tra la pia madre e l’aracnoide c’è un interstizio detto spazio sub-aracnoideo che adatta la forma diversa delle due meningi. Tra la dura madre e l’aracnoideo c’è uno spazio subdurale.
Sotto le meningi, se osserviamo l’encefalo, c’è la sostanza grigia (somata) e poi la sostanza bianca (assoni); viceversa, nel midollo spinale, c’è la sostanza bianca e poi la sostanza grigia.
Nello spazio sub-aracnoideo è contenuto il liquido cerebro-spinale o liquor (LCS) ed è simile al plasma sanguigno ed al liquido extra-cellulare. Il LCS riempie anche le cavità del SNC chiamate ventricoli e comunica con quello dello spazio sub-aracnoideo.
Tutto l’LCS si trova all’interno della barriera emato-encefalica, ammonta a 125cc e viene ricambiato completamente ogni 6-7 ore.


I ventricoli
Il sistema dei ventricoli è composto da due grandi ventricoli laterali che si estendono per la lunghezza dell’encefalo. Comunicano con il terzo ventricolo (che si trova in posizione mediale) che a sua volta comunica attraverso l’acquedotto cerebrale con il quarto ventricolo. Questo comunica con il canale spinale che percorre tutto il midollo spinale.
Il LCS viene prodotto dai plessi coroidei all’altezza dei ventricoli e poi riassorbito dai villi aracnoidei nello spazio sub-aracnoideo che lo filtra nel sangue.
Il LCS sostituisce il sostituisce il sangue all’interno della barriera emato-encefalica e svolge un’importante funzione meccanica, infatti l’encefalo galleggia all’interno del cranio nell’LCS. Il liquido assorbe le accelerazioni e riduce il peso complessivo da 1500g a 100g, così la base dell’encefalo non rischia di essere schiacciata.

Lo sviluppo del SN
Ai primi stadi di sviluppo il SN è composto da un tubo che si sviluppa bidimensionalmente. L’embrione differenzia tre strati di cellule: ectoderma, mesoderma e endoderma da cui deriveranno differenti strutture.
Dall’endoderma si sviluppano gli organi interni e parte del canale alimentare; dal mesoderma le ossa, i muscoli scheletrici, il sistema circolatorio e i reni; dall’ectoderma il sistema nervoso e l’epidermide.
A tre settimane dal concepimento l’ectoderma si piega su se stesso formando la doccia neurale e poi si richiude formando il tubo neurale. La porzione di ectoderma che rimane a lato del tubo dà origine alle creste neurali che si portano dorsalmente.
Dal tubo neurale si forma il SNC e dalle creste neurali il SNP. Nelle settimane successive si formano tre vescicole da cui deriveranno, da rostrale a caudale, il proencefalo, il mesencefalo e il romboencefalo. Il resto del tubo neurale darà luogo al midollo spinale.
Dalla vescicola del proencefalo, che si differenzia in telencefalo e diencefalo, si formeranno rostralmente i bulbi olfattivi, lateralmente gli emisferi cerebrali, del telencefalo, e le vescicole ottiche. Dal mesencefalo i collicoli superiori e inferiori; dal romboencefalo il cervelletto, il ponte e il bulbo. Dalle vescicole ottiche si differenziano lo stelo ottico da cui deriverà il nervo ottico e il calice ottico da cui si formerà la retina. Successivamente il diencefalo si differenzierà in talamo, centro delle afferenze sensoriali, e ipotalamo.
Fino a questo punto, nell’embrione, i neuroni sono identici a qualsiasi altro tipo di cellula. Presto però nel proencefalo si differenzieranno le zone occupate della sostanza grigia e dalla sostanza bianca (la sostanza bianca corticale, il corpo calloso, la capsula interna).
Molto presto si possono notare i ventricoli: i due laterali nel telencefalo, il terzo nel diencefalo, l’acquedotto cerebrale nel mesencefalo e il quarto ventricolo nel romboencefalo.

Il midollo spinale
È contenuto nella colonna vertebrale e inizia dalla prima cervicale e si conclude alla dodicesima toracica. Oltre la dodicesima toracica il midollo spinale continua nella cauda aequina.
All’altezza di ogni vertebra escono un paio di nervi spinali. Sono presenti i tre strati di meningi e la disposizione della sostanza bianca e grigia è opposta a quella dell’encefalo.
La sostanza grigia assume una forma ad H e i fasci di assoni della sostanza bianca corrono da rostrale a caudale o da caudale a rostrale. Ma la struttura interna del midollo spinale cambia a seconda della distanza dell’encefalo, mostrando dei rigonfiamenti all’altezza degli arti. Vi è la presenza di nuclei specializzati.
Le fibre sensoriali escono dorsalmente nelle radici dorsali e nei gangli delle radici dorsali è contenuto il soma dei neuroni sensoriali, mentre le fibre motorie escono ventralmente e prendono il nome di radici ventrali e i somata si trovano all’interno della sostanza grigia del midollo spinale.
Nella “ H” della sostanza grigia si possono distinguere il corno dorsale, dove arrivano le afferenze sensoriali; il corno ventrale, sede dei somata dei motoneuroni; e la zona intermedia dove hanno sede i neuroni pre-gangliari del SNA.
I tratti assonici che corrono lungo il midollo nella sostanza bianca vengono chiamati colonne (colonna dorsale, colonna laterale e colonna ventrale). Quelli sensoriali sono tratti ascendenti, mentre i tratti discendenti sono principalmente motori. In posizione ventrale della sostanza bianca c’è la commessura che mette in comunicazione la parte destra con la sinistra.
I nervi spinali si dividono in: cervicali (8), toracici (12), lombari (5), sacrali (5) e un nervo coccigeo.

Romboencefalo e mesencefalo
Il romboencefalo, distinto dal quarto ventricolo, si divide in:
o Bulbo o midollo allungato
è contiguo al midollo spinale ed è attraversato dagli stessi fasci di assoni del midollo spinale.
Contiene numerosi nuclei implicati in funzioni come il controllo del respiro, del battito cardiaco, della salivazione e dei riflessi di vomito e tosse.
Inoltre è implicato in diverse funzioni sensoriali (udito, tatto, gusto).
Da esso partono molti dei nervi cranici.
o Cervelletto
rappresenta il 10% in peso dell’encefalo, ma contiene il 50% di tutti i neuroni.
È implicato nella regolazione fine delle funzioni motorie e nell’apprendimento di abilità motorie nuove.
Esso è suddiviso in due emisferi cerebellari.
o Ponte
contiene fasci di fibre che connettono i due emisferi cerebellari.
Contiene una struttura chiamata formazione reticolare responsabile dello stato di attivazione generale del SN, come il ritmo sonno-veglia.

Il mesencefalo, distinto dall’acquedotto cerebrale, si divide in:
o Tetto
costituito dai collicoli inferiori (udito) e collicoli superiori (visione) che prendono anche il nome di tetto ottico. Quest’ultimo è particolarmente sviluppato negli uccelli e nei vertebrati inferiori in quanto presiede la maggioranza dell’elaborazione visiva. Nell’uomo l’elaborazione visiva è principalmente svolta dalla corteccia del lobo occipitale.
o Tegmento
Contiene molte strutture importanti come la substantia nigra coinvolta nel controllo motorio, danneggiata dal morbo di Parkinson.

Proencefalo
Il Diencefalo si trova all’altezza del terzo ventricolo e si divide in:
o Talamo
è un insieme di nuclei che costituiscono un’importante stazione di elaborazione di tutte le informazioni sensoriali.
I vari nuclei proiettano alle aree della corteccia cerebrale deputate all’analisi di ciascuna modalità sensoriale.
È implicato nel controllo motorio. Dal talamo fuoriescono le fibre della capsula interna che mettono in comunicazione talamo e corteccia. Vi è un talamo destro e sinistro (struttura pari).
o Ipotalamo
si trova in posizione rostrale rispetto al talamo e presiede al controllo dell’intero organismo regolando l’omeostasi.
Da esso dipende la regolazione della temperatura, della fame, della sete, della veglia-sonno, del comportamento sessuale nonché dell’espressione delle emozioni come aggressività e paura.
Controlla l’attivazione del SNA.
Attraverso l’ipofisi controlla la liberazione della maggior parte degli ormoni da parte delle diverse ghiandole endocrine.

Bulbo, cervelletto, ponte, mesencefalo, talamo e ipotalamo costituiscono il tronco encefalico.

Telencefalo
È la porzione più rostrale dell’encefalo e la sua evoluzione è caratteristica nei mammiferi, specialmente nei primati.
Esso è distinguibile dai ventricoli laterali ed è diviso in:
o Emisferi cerebrali
è la parte più ingombrante dell’encefalo ed è costituita esternamente dalla corteccia cerebrale, che ha uno spessore di 2-4 mm e misura circa 2000cmq (45x45cm), cioè tre volte la superficie interna del cranio. Le parte convesse sono dette giri e gli avvallamenti solchi e; i solchi più profondi sono detti scissure.
Gli emisferi sono suddivisi in lobi. Il lobo frontale è ventrale e confina con il lobo parietale che è rostrale. Questo è adiacente al lobo temporale, caudalmente, e dorsale è il lobo occipitale.
La scissura di Rolando o solco centrale separa il lobo frontale e il lobo parietale.
La scissura di Silvio o solco laterale separa il lobo frontale dal lobo temporale.
I due emisferi sono separati dalla scissura interemisferica.
Divaricando il solco laterale si può osservare la corteccia dell’insula tra il lobo temporale e il lobo frontale.
Divaricando la scissura interemisferica si osserva il corpo calloso e il giro cingolato.
Il solco centrale separa il giro precentrale (lobo frontale) che è detto corteccia motrice primaria e il giro postcentrale (lobo parietale) detto corteccia somatosensoriale primaria. Nella corteccia motrice primaria e nella corteccia somatosensoriale primaria ci sono mappe ordinata della superficie del corpo homunculus motorio e homunculus somatosensoriale.

Brodmann nel 1909 creò una mappa cito-architettonica della corteccia, cioè basata sulle caratteristiche del tessuto. Ha discriminato 49 aree differenti, ancora oggi valide e chiamate aree di Brodmann.
Le aree 1,2 e 3 corrispondono alla corteccia somatosensoriale primaria (lobo frontale e parietale). L’area 17, la corteccia striata, ad esempio, è deputata all’area visiva primaria (lobo temporale). L’area 17 all’uditiva primaria (lobo temporale). L’area 4 è la motrice primaria (lobo frontale).
o Telencefalo basale o strutture sottocorticali
I nuclei della base sono il nucleo caudato, il globo pallido e il putamen che sono coinvolti nel controllo del movimento.
L’amigdala e l’ippocampo fanno parte del sistema limbico che è coinvolto nelle emozioni e nell’apprendimento.


La circolazione ematica nell’encefalo
L’encefalo è percorso da due paia di grosse arterie. Le due arterie carotidi interne irrorano la porzione rostrale dell’encefalo, mentre le due arterie vertebrali la porzione caudale, ma all’altezza del ponte si uniscono nell’arteria basilare per poi dividersi nuovamente. Le arterie carotidi si dividono in arteria cerebrale anteriore, che irrora anche la corteccia dell’insula,e arteria cerebrale media. Le arterie vertebrali in arteria cerebrale posteriore e arteria cerebellare superiore. Ventralmente, nei pressi del chiasma ottico le arterie carotidi e le arterie vertebrali sono messe in comunicazione nel circolo di Willis.

Psicobiologia: anatomia del sistema nervoso

Riferimenti anatomici del sistema nervoso
Nervo, tratto e fascio sono nomi per raggruppamenti di assoni. Il nervo è un raggruppamento del SNP, mentre il tratto del SNC. Un fascio è un raggruppamento di assoni che non hanno la stessa origine e destinazione. Nel SNC un gruppo assonale che mette in contatto encefalo e tronco encefalico è detto capsula. Un gruppo che mette in contatto parti controlaterali è detto commessura. Tratti che serpeggiano come dei nastri nell’encefalo sono detti lemnischi.
Ganglio e nucleo sono nome per designare gruppi di somata. Ganglio (plur. ganglia) è un gruppo neuronale del SNP, mentre nucleo del SNC. Esistono delle sfumature per quanto riguarda il nucleo. Se non è molto grande, ma distinto dal resto è un locus (plur. loci). Se un nucleo, invece, ha un contorno non molto preciso viene chiamato substantia.
Le viste di una struttura anatomica possono essere laterale (dx o sx), dorsale, ventrale, rostrale o anteriore, caudale o posteriore. Due strutture sullo stesso lato sono dette ipsilaterali, mentre su lati opposti controlaterali.
Le sezioni delle strutture sono dette sagittale mediana se attraversa da dorsale a ventrale in direzione rostrale-caudale, mentre coronale se controlaterale. Un sezione è detta orizzontale se attraversa la struttura da rostrale a caudale.

Anatomia del sistema nervoso
Strutturalmente il SN può essere diviso in due zone macroanatomiche
- SNC
    • Encefalo
    • Midollo spinale
- SNP
   • 12 paia di nervi cranici che partono dall’encefalo
   • 31 paia di nervi spinali che partono dal midollo spinale
   • SNP somatico
       Informazioni sensoriali dagli organi di senso
       Controllo della muscolatura volontaria (sistema motorio)
   • SNP autonomo (SNA)
        Controllo della muscolatura liscia (apparato circolatorio, apparato sessuale, apparato digestivo etc.)
            - Simpatico
            Attivo in situazioni critiche e mette risorse a disposizione per fronteggiare l’emergenza.
           - Parasimpatico
           Promuove le funzioni legate al benessere a lungo termine, quali la conservazione dell’energia, la riproduzione, l’alimentazione, la risposta immunitaria, la digestione.
        - recettori ed organi di senso


I nervi spinali
Tutti i nervi spinali sono di tipo misto, sono sia motoneuroni in fibre motorie (OUT) e sia neuroni sensoriali in fibre sensoriali (IN).
Le fibre motorie e le fibre sensoriali escono indipendentemente dal midollo spinale per poi riunirsi in un nervo unico.
Le fibre motorie escono ventralmente e prendono nome di radici ventrali e le fibre sensoriali escono dorsalmente e prendono nome di radici dorsali, e i gangli delle radici dorsali contengono i somata dei neuroni, quindi è fuori sono fuori dal midollo spinale.

I nervi cranici
I nervi cranici possono essere misti (nervo facciale), solo sensoriali (nervo ottico) o solo motori (nervo oculomotore).

Psicobiologia: il sistema nervoso e le cellule del sistema nervoso

Il sistema nervoso è composto dal sistema nervoso centrale SNC (racchiuso nelle ossa) e il sistema nervoso periferico SNP. Le cellule specializzate del SN sono i neuroni (100 miliardi) e le cellule gliali o glia (1000-2000 miliardi). Compone il 5-6% della massa corporea ma consuma il 20% dell’energia.
I neuroni (10-100 µm) sono responsabili dell’attività elettrica e, salvo alcune eccezioni, non hanno mitosi.
Le glia sono di supporto o di isolamento elettrico al neurone, sono 10 volte più piccole e si dividono per tutta la vita. Il bambino alla nascita ha meno glia per diminuire l’ingombro del cranio.
I neuroni si dividono in tre parti costitutive: il soma (metabolismo della cellula, integrazione dei segnali), i dendriti (ricezione del segnale) e l’assone (trasmissione del segnale). Dendriti e assone sono chiamati collettivamente neuriti.
I dendriti (lunghezza 20-2000 um), il diametro tende ad assottigliarsi allontanandosi dal soma. Talvolta sono provvisti di specializzazioni chiamati spine dendritiche che ricevono l’impulso nervoso.
L’assone, nell’uomo, ha lunghezze variabili e può superare il metro (motoneuroni del piede), il diametro è tra i 0.2 e 20 µm e tende a rimanere costante. Generalmente l’assone che parte dal soma è unico, ma si può ramificare in assoni collaterali. L’assone parte dal soma nella regione chiamata monticolo assonico o cono d’emergenza o cono d’integrazione e termina nei bottoni sinaptici o terminali. Nella sua lunghezza è rivestito dalla guaina mielinica prodotta dalle cellule gliali. Spesso gli assoni di vari neuroni corrono paralleli e formano il nervo (SNP) e il tratto (SNC) per acquisire maggiore resistenza meccanica.

La classificazione dei neuroni
Esistono classificazioni diverse e complementari.
o Per dimensione.
o Per funzione:
     - Neuroni sensoriali (neuroni afferenti, sistema sensoriale),
     - Interneuroni (sistema di integrazione)
     - Motoneuroni (neuroni efferenti, sistema effettore).
            Il sistema sensoriale che riceve lo stimolo e il sistema effettore che produce la risposta non variano per  organismi di diverse specie animali, ma il sistema di integrazione è specie-specifico.
o Per forma (dei dendriti):
    - Unipolari (neuroni sensoriali senza dendriti, ad es. cellule somatosensoriali)
    - Biploari (neuroni sensoriali, un dendrite, ad es. cellule retiniche)
    - Multipolari (forma più diffusa, ad es. motoneurone spinale, cellula piramidale dell’ippocampo, cellula del Purkinje del cervelletto)
o Per lunghezza dell’assone:
    - I° tipo del Golgi o cellula piramidale (assone lungo, neuroni di proiezione)
    - II° tipo del Golgi o cellula stellata (assone corto, neuroni a circuito locale)
o Per tipo di neurotrasmettitore:
    - Neuroni colinergici (acitelcolina)
    - Neuroni dopaminergici (dopamina)
    - Neuroni glutamergici (glutammato)
    - Neuroni GABAergici (GABA)
    - etc…

Le cellule gliali
- Riempiono lo spazio separando un neurone dall’altro e isolano elettricamente gli assoni
- Nutrono i neuroni
- Mantengono stabile la composizione dello spazio extra-cellulare
- Guidano la crescita a la ricrescita delle cellule neuronale
- Riparano i tessuti e difendono dai patogeni (sostituiscono il sistema immunitario)

La classificazione:
- Microglia
Hanno origine embriologica dal mesoderma (in particolare dai macrofagi).
La principale funzione è di riparare i tessuti danneggiati e fagocitare le cellule morte.
- Macroglia
Hanno la stessa origine embriologica dei neuroni.
- Astrociti
Sono le cellule più numerose del SNC e hanno una forma stellata
Nutrono il neurone
Il SNC non è a diretto contatto con il torrente ematico anche se ci sono grandi vasi che lo attraversano.
Gli astrociti prelevano le sostanze dal flusso sanguigno e nutre il neurone. Astrociti e cellule endoteliali dei vasi vanno a costituire la barriera emato-encefalica, infatti il cervello non è bagnato dal sangue ma dal liquido cerebro-spinale o liquor.
• Evita l’entrata di virus
• Mantiene costante la concentrazione di ioni
• Evita il contatto tra molecole nel sistema circolatorio che hanno effetto sui neuroni
Svolgono funzione di fagocitosi
Gli astrociti possono muoversi attraverso i pseudopodi e si spostano in massa verso la zona danneggiata
- Catturano i neurotrasmettitori e il potassio dopo lo scambio sinaptico
- Tamponano la concentrazione extra-cellulare dei neuroni
Gli astrociti sono tutti connessi tra loro tramite giunzioni comunicanti (giunzioni serrate o gap junctions) in modo tale che la loro rete faccia pervenire le sostanze laddove sono richieste.
- Producono i growth factors
Sono molecole chimiche che indicano la direzione nella quale far crescere gli assoni durante la crescita o per riparare tessuti danneggiati.
- Oligodendrociti
Producono guaine mieliniche nel SNC
- Cellule di Schwann
Producono guaine mieliniche nel SNP

La guaina mielinica
La mielina è costituita dall’80% da lipidi e 20% proteine e funziona da isolante per la trasmissione. Nel SNP la cellula di Schwann si avvolge attorno ad un tratto di assone. Nel SNC l’oligodendrocita forma numerosi tratti di mielina su diversi assoni. L’assone non è completamente rivestito, ma ci sono dei segmenti scoperti di 1-2 um ogni 1mm di tratto mielinico chiamati nodi di Ravier.
La mielinizzazione inizia al 5°mese di gravidanza e continua dopo la nascita oltre il 2° anno, infatti alla nascita il cervello del neonato occupa 400cc di volume invece dei 1300cc medi nonostante il numero di neuroni sia lo stesso. Dopo l’adolescenza il numero di neuroni inizia a decrementare e ci sono differenze di genere nel peso in relazione all’età, che è maggiore nel maschio per proporzione al resto del corpo.
Le cellule di Schwann fanno da guida in caso di taglio dell’assone, invece gli oligodendrociti nel SNC occupano lo spazio dell’assone interrotto.
La sclerosi multipla è una malattia autoimmune del SNC, con incidenza nell’emisfero nord, dovuta all’attacco alla mielina da parte di alcuni componenti del sistema immunitario in grado di oltrepassare la barriera emato-encefalica. La guaina mielinica mancante produce rallentamenti molto importanti nelle zone del cervello colpite.

Biologia applicata: la selezione sessuale

Il dismorfismo sessuale fa sì che maschi e femmine della stessa specie differiscano oltre che per l'apparato genitale anche per tratti sessuali secondari. Oltre a tratti fisici si notano diversi comportamenti. Darwin ipotizzò che a fianco la Selezione Naturale operasse la Selezione Sessuale.
A una prima analisi la presenza dei due sessi sembra svantaggiosa in quanto: un individuo partenogenetico avrebbe una progenie con il 100% dei suoi geni e dopo poche generazioni conterebbe più discendenti.
Specie sessuate a assessuate che contendono una nicchia ambientale dimostrano che la riproduzione sessuale con la ricombinazione permetta di procreare individui con maggior variazioni geniche e quindi adattabilità.
La riproduzione assesuale è adatta a condizioni ambientali stabili.

L'anisogamia è la differenza tra gameti sessuali femminili e maschili. Nella maggior parte delle specie le cellule uovo sono più grandi e poche e gli spermatozoi piccoli e tanti.

La selezione sessuale favorisce nei maschi quei tratti che aumentano il loro successo di accoppiamento.
Nella selezione intra-sessuale verranno favoriti i maschi più forti nella competizione con altri maschi.
Nella selezione inter-sessuale verranno favoriti i maschi che hanno caratteristiche favorite dalle femmine.
Il tratto che esalta la selezione sessuale viene poi equilibrato dalla selezione naturale, altrimenti si assisterebbe a pavoni con code alte 10m o cervi con corna da 100kg,

Nella femmina la selezione sessuale favorisce la selettività, infatti un maschio che compie un errore nella riproduzione non ha gravi conseguenze, una femmina invece ha un rischio e un costo maggiore. La selettività si esprime con la scelta di maschi con genotipo di qualità superiore, con abilità parentali e maggiori risorse.

Nell'uomo si è riscontrato che nelle diverse culture le caratteristiche femminili che attraggono il maschio sono inerenti all'attrattività fisica e per la femmina invece è lo status e la disponibilità economica maschile (Buss, 1989).

Un ultimo aspetto della selezione sessuale è la competizione spermatica, alcune specie hanno sviluppato delle tecniche per evitare che lo sperma di altri maschi arrivi a fecondare la femmina che stanno corteggiando.

I conflitti sessuali
A causa dell'anisogamia e della selezione sessuale spesso gli interessi dei due sessi sono divergenti, per cui la selezione sessuale favorirà tratti sessuali sfavorevoli per l'altro sesso. Si innesca così un conflitto sessuale.
Un conflitto molto comune fra le specie è quello che riguarda le cure parentali, in questo caso in alcune specie la femmina deve mettere in atto delle strategie per far sì che il maschio partecipi all'allevamento della prole senza che questo abbia un'altra femmina.
L'infanticidio nel leone e nel topo è una strategia che mette in atto il nuovo maschio per far sì che le femmine smettano l'allattamento ed entrino in estro poiché il tempo di dominio è limitato e dopo aver vinto la competizione comporterebbe un rischio aspettare. Il topo maschio arriva ad uccidere anche la progenie che nasce la settimana successiva.
Le controstrategie sono per evitare l'abbandono la richiesta di un corteggiamento lungo e persistente, per evitare l'infanticidio le leonesse partecipano alle lotte dei maschi residenti. La femmina di topo riassorbe gli embrioni al contatto con l'odore del maschio nuovo "effetto Bruce".

Oltre alle strategie comportamentali si assiste anche ad una guerra chimica. Alcune sostanze secrete nell'eiaculato funzionano da anti-afrodisiaco inibendo la libido femminile, altre fungono da spermicida dopo l'accoppiamento.
Nel moscerino della frutta il maschio produce una tossina Acp che accorcia la vita della femmina.
Nella nostra specie alcuni composti nello sperma inibisce la funzione immunologica dell'apparato femminile, che riduce la prestazione degli spermatozoi. Sono presenti dei neuro-modulatori anti-afrodisiaci.
La proteina prostatica PSA aiuta l'avanzare degli spermatozoi nell'utero, ma causa anche il cancro alla prostata. L'incidenza di questo è a 60 anni.

In alcune specie sono i maschi a subire. Nel caso della mantide e alcuni ragni la femmina, più grande, divora il maschio appena finita la fecondazione. Si assiste a infedeltà nella coppia monogama di certi uccelli, quindi il maschio pedina la femmina per i giorni necessari alla deposizione delle uova (mate guarding), In altre specie di uccelli un solo genitore è sufficiente per cui la femmina cerca di imbrogliare il maschio sul fatto di aver deposto nel suo nido, ma se il maschio la scopre la femmina rimmarrà ad accudire le uova, altrimenti toccherà al maschio.

In certe occasioni i maschi si prodigano in un assillo sessuale (sexual harassment) che in molti casi conduce la femmina a cedere per ridurre i costi.

Altruismo e cooperazione
Gli argomenti trattati sono fitness complessiva e selezione di parentela, altruismo reciproco e cooperazione.

Altruismo: un comportamento individuale che aumenta la fitness degli altri a scapito della propria.
L'altruismo è apparentemente in contraddizione con la teoria della selezione naturale, ma trova una spiegazione se viene introdotto il concetto di fitness complessiva che è la somma della propria fitness (fitness diretta) e la fitness indiretta (geni condivisi tra consanguinei), Hamilton (1964).

Il meccanismo che permette l'evoluzione di comportamenti altruistici è la selezione di parentela (kin selection), Hamilton ha dimostrato che la condizione per cui un allele altruista venga ereditato è spiegato dalla disequazione:
C < B * r => Costi < Benefici * coefficiente di parentela

La kin recognition è il riconoscimento individuale degli indiviui imparentati. La tecnica più semplice risponde alla regola "se è cresciuto nel tuo stesso nido allora è tuo fratello". Altro meccanismo che sottende alla kin recognition è il confronto fenotipico, ad esempio confrontando il proprio complesso maggiore di istocompatibilità (MHC), che si esprime con l'odore, con l'altro individuo. Nell'uomo vengono riconosciuti i tratti fisici, ad es. DeBruine (2005) in un esperimento i partecipanti devono decidere tra 3 volti chi fosse affidabile e più attrattivo in una relazione occasionale: i volti più somiglianti al partecipante venivano considerati affidabili e quelli diversi attrattivi.

L'altruismo reciproco e la cooperazione prevedono che a compiere comportamenti altruistici non siano individui imparentati. Nella cooperazione vi è un comportamento temporaneo di altruismo per ottenere più benefici, nell'altruismo reciproco si attende che il comportamento altruista venga ricambiato in un secondo tempo.

L'altruismo reciproco è un rischio per un indivuo perché può non essere ricambiato.
Trivers (1971) rileva le regole per il successo nella specie dell'altruismo reciproco:
1) il vantaggio per chi riceve deve essere maggiore di chi lo esegue
2) i cooperatori devono essere sociali, vivere a lungo e risiedere stabilmente, quindi avere la possibilità di reincontrarsi più volte
3) devono essere in grado di riconoscersi, perciò avere un sistema cognitivo evoluto

Biologia applicata: la selezione naturale

All'inizio dell'800 l'idea che le specie si evolvano nel tempo con nuove apparizioni ed estinzioni era accettata a livello accademico. Le evidenza a favore dell'evoluzione erano già note ai biologi prima di Darwin. Ad esempio per la biologia comparata l'ala del pipistrello, la pinna della balena e il braccio dell'uomo hanno la stessa struttura in comune (omologhi) perché derivano dall'arto dei mammiferi quadrupedi. Dall'embriologia si nota che le prime fasi dello sviluppo embrionale sono pressoché identiche in specie di vertebrati anche molto diverse. Dalla paleontologia sappiamo che specie di animali esistenti in ere geologiche lontane dalla nostra erano diverse ed in alcuni casi è possibile ricostruire la transizione.
A metà dell'800 non si sapeva il meccanismo per il quale tutto ciò poteva avvenire. Nel 1859 Charles Darwin pubblicò Origine della specie e diede risposte sul meccanismo della selezione naturale.
L'idea di Darwin partì dalla constatazione del modo in cui gli allevatori ottenevano diverse razze attraverso la selezione artificiale. Gli allevatori selezionano individui con una caratteristica saliente e se questa è ereditaria appare nella generazione successiva. Dal 1831 al 1836 Darwin viaggiò intorno al mondo sulla nave Beagle e l'esperienza alla base della comprensione della selezione naturale fu l'osservazione della speciazione e dell'addattamento avvenuto dai fringuelli delle Galapagos.
Una fonte da un'altra disciplina, l'economia, proveniva da Thomas Malthus dal testo Saggio sulla popolazione il quale aveva messo in evidenza come le popolazioni animali e umane se non limitate tendono a crescere geometricamente tendendo a occupare tutto lo spazio a disposizione; la disponibilità di risorse limitate, la competizione tra individui, la predazione e la diffusione di malattie limitano il numero massimo di individui.
Nella Selezione Naturale si assiste alla sovrapproduzione: ciascuna specie produce più individui di quanti ne raggiungano la maturità; limiti alla crescità: ogni popolazione è limitata nel numero a causa di limiti di spazio, risorse alimentari, facendo sì che in proporzione la maggior parte degli individui non raggiunge l'età adulta e la riproduzione; variabilità: gli individui mostrano differenze, alcune di queste ereditarie; successo ripprodduttivo differenziale: se una caratteristica permette una maggior sopravvivenza si riproduce di più, col passare delle generazioni si diffonde nella popolazione.
La Selezione Naturale produce adattamento all'ambiente. Un caso di adattamento osservato e in atto è relativo al melanismo industriale: farfalle con alleli per il colore delle ali chiaro e scuro sopravvivevano maggiormente con allele chiaro quando le betulle erano chiare, di seguito allo scurire del tronco per via della rivoluzione industriale inglese il trend è opposto. Altra forma in atto è la resistenza agli antibiotici nei batteri: batteri resistenti hanno possibilità di riprodursi.


Micro e macroevoluzione
All'epoca di Darwin i meccanismi dell'eridatarietà non erano noti perciò la teoria della selezione naturale non potè essere formalizzata. Tra le due guerre i biologi incorporano la genetica di popolazione nella teoria di Darwin e nasce la teoria sintetica dell'evoluzione. Nella teoria la variabilità individuale si origina per mutazione e l'evoluzione è vista essenzialmente come variazione delle frequenze alleliche.
Cambiamenti delle frequenze alleliche nell generazioni viene definito microevoluzione, ma non riesce a spiegare l'enorme differnza tra specie per questo sono necessari altri meccanismi.

Il principio di Hardy-Weinberg descrive il rapporto tra frequenze alliliche e le frequenze dei differenti genotipi per un particolare gene. Permette ai genetisti di determinare la frequenza di ciascun allele partendo dalle frequenze dei differenti genotipi o viceversa partendo dalla frequenza relativa degli alleli di un gene nella popolazione ideale. Nella popolazione ideale la distribuzione di alleli rimane costante. Ad alterare l'equilibrio di Hardy-Weinberg intervengono la 1) la selezione naturale, 2) la mutazione, 3) la deriva genica, 4) gli accoppiamenti non casuali, 5) il flusso genico.

La mutazione è la a base su cui agisce la selezione naturale e un accumulo significativo di mutamenti influisce sull'equilibrio di Hardy-Weinberg.
Gli accoppiamenti non casuali sono determinati dalla vicinanza di consanguinei e se l'eventualità di incesto non è evitata (come nei mammiferi) si ha un inincrocio. In alcune specie si ha una prevalenza di assortative mating in cui individui scelgono i partner in base a somiglianza col proprio fenotipo.
La legge di Hardy-Weinberg è valida se la popolazione è grande da far valere le leggi della probabilità, ma popolazioni con pochi esemplari si ha la deriva genica per cui gli alleli possono essere eliminati nelle generazioni.
L'effetto collo di bottiglia si quando gli individui diventano poco numerosi e si assiste all'impoverimento del pool genico.
Un caso speciale è l'effetto del fondatore per cui individui provenienti da una popolazione più grande colonizza un territorio isolato il loro pool genico è l'unico disponibile.
Il flusso genico avviene quando una popolazione accoglie individui provenienti da una migrazione aumentando il pool genico. Al contrario della deriva e dell'accoppiamento non casuale il flusso genico aumenta la variabilità genetica.

La selezione naturale può essere di 3 tipi: 1) direzionale, 2) stabilizzante, 3) diversificante.
Nella selezione stabilizzante si favorisce un particolare valore di un carattere sfavorendo gli estremi.
Nella selezione direzionale si favorisce un estremo sfavorendo l'opposto e l'intermedio,
Nella selezione diversificante si favoriscono gli estremi e si sfavorisce l'intermedio (raro).

La selezione naturale normalmente tende a ridurre la variabilità genetica eliminando i caratteri che non si adattano all'ambiente, ma in altri casi la selezione naturale stessa può favorie la variabilità se 1) varia nello spazio e nel tempo, quando c'è 2) polimorfismo bilanciato e se c'è 3) selezione dipendente da frequenza.

La variazione spaziale e temporale nella selezione naturale consiste nel privilegiare individui con fenotipi diversi a seconda del luogo in cui si trovano (presenza o assenza di predatori) o tempo (mesi freddi o mesi caldi). Nella specie umano i fenotipi pelle chiara sono favoriti in zone con poco sole e pelle scura in zona con molto sole incrementando la variabilità nel pool complessivo della specie umana.

Il polimorfismo bilanciato è la preferenza in alcuni ambienti di individui eterozigoti, che hanno cioè alleli dominanti e recessivi per lo stesso carattere. Ad esempio l'anemia falciforme.

La selezione dipendente da frequenza è un meccanismo che privilegia l'individuo con il fenotipo raro. In alcune specie, anche nell'uomo, la femmina può preferire individui dissimili dai consanguinei.

La speciazione e l'estinzione
Da soli i processi specificati non spiegano l'enorme varietà di specie.

Per l'estinzione si sa che cambiamento delle condizione fisiche (es. clima), infezioni parassitarie, predazione, competizione vinta da specie antagonista che sfrutta meglio la nicchia ecologica possono far scomparire una specie.

Per la speciazione è necessario che 1) si formi una barriera riproduttiva tra una popolazione, 2) vi siano nicchie ecologiche distinte e pressioni selettive diverse.

Le speciazioni sono di 3 tipi: 1) allopatrica, 2) parapatrica, 3) simpatrica.
Nella speciazione allopatrica la popolazione si divide in popolazioni isolate geograficamente, nel corso del tempo i gruppi isolati accumuleranno differenze tali da non poter più riprodursi con la popolazione di partenza.
Nella speciazione parapatrica, anche senza barriere, l'estensione del territorio comprendete nicchie ecologiche diverse fa sì che la popolazione si adatti ad un ecosistema.
Nella speciazione simpatrica avviene quando in una popolazione un evento genetico faccia sì che gli individui si differenzino. Certi individui maturano delle differenze sostanziali in favore dell'habitat e la riproduzione verrà favorita con individui simili. Così si formano barriere prezigotiche e postzigotiche (economicamente svantaggiose).
Tra le barriere prezigotiche può essere un isolamento temporale o comportamentale.
Tra le barriere postzigotiche l'individuo può manifestare sterilità o è scarsamente adattato all'habitat.

Preferenze sessuali basate sui geni di istocompatibilità
Il complesso maggiore di istocompatibilità o MHC è composto da molti geni ed è implicato nella risposta immunitraria contro il non-sé, ad es. provoca il rigetto dei trapianti. Molti animali, incluso l'uomo, riconoscono diversi MHC in base all'odore. Nella nostra specie questo processo è del tutto inconsapevole, ma può essere dimostrato sperimentalmente.
Nella scelta del maschio per la riproduzione le femmine basano la loro scelta sulla similarità di MHC.
Nell'uomo la femmina nel periodo di ovulazione preferisce individui con MHC diverso dal proprio per avere progenie con variabilità genica maggiore; negli altri giorni del ciclo preferisce soggetti con geni simili.

Biologia applicata: da Mendel alla genetica moderna

Gregor Mendel ha condotto i suoi esperimenti tra il 1850 e 1865. Si riteneva che i caratteri fossero trasmessi alla prole e che si mescolassero nel figlio. Mendel smentì la seconda credenza ma servirono 40 anni prima che il suo lavoro venisse compreso.
Il successo della ricerca di Mendel si deve ad un disegno sperimentale rigoroso e l'uso delle leggi della probabilità.
La scelta dell'organismo di studio venne assegnata al pisello odoroso: ha una progenie numerosa, è facile manipolare la riproduzione in quanto può essere impollinato o autoimpollinarsi; i 7 caratteri scelti avevano una dominanza completa e venivano eriditati indipendentemente gli uni dagli altri.
Un carattere è una caratteristica osservabile dell'organismo, un tratto la forma con cui si presenta.
L'incrocio avviene recidendo le antere, per evitare l'autoimpollinazione, e trasportando il polline da una pianta all'altra. Mendel aveva a disposizione delle linee pure, cioè che davano autoimpollinandosi sempre lo stesso carattere.
Incrociando due linee pure (generazione parentale P) con caratteri a tratti opposti e otteneva una prima generazione filiale F1. In questa non vi era mescolanza, ma un unico tratto. Scoprì così che un tratto è dominante e uno recessivo (principio di dominanza). Nella generazione ottenuta per autoimpollinazione F2 il tratto si ripresentava.
Per spiegare questo Mendel capì che entrambi i tratti erano rimasti nella progenie, a livello di genotipo i tratti sono definiti alleli. Quindi se un individuo ha due alleli per tratti diversi nel fenotipo si manifesterà quello dominante.
Un individuo si dice omozigote, omozigote recessivo se gli alleli sono recessivi o omozigote dominante se dominanti e se ha alleli identici per il carattere; e eterozigote se ha alleli diversi.

La prima legge di Mendel detta legge della segregazione dei caratteri dice che durante la formazione dei gameti i due alleli segregano (separano) finendo su gameti diversi.
Oggi sappiamo che i due alleli si trovano sue dei cromosomi omologhi e che la segregrazione degli alleli avviene durante la meiosi.

Mendel usava il quadrato di Punett per determinare la quantià di alleli trasmessi, però non riusciva a capire la presenza quali fossero gli eterozigoti perché il fenotipo era identico. L'unico modo che gli permetteva di capire era un incrocio di controllo con l'omozigote recessivo (incrocio diibrido).

La seconda legge di Mendel si rifersice al modo in cui gli alleli di tratti diversi si assortiscono negli incroci:
la legge dell'assortimento indipendente dice che gli alleli appartenenti a geni differenti segregano indipendentemente al momento della formazione dei gameti e sono ereditati indipendentemente l'uno dall'altro.
Però oggi si sa che non è universalmente vera, infatti quando i geni che controllano due caratteri si trovano vicini nello stesso gene essi tenderanno ad essere associati alla progenie.

Un allele è una sequenza di un gene. Alleli diversi per un gene esistono poiché sono soggetti a mutazioni, un processo raro e casuale che modifa il materiale genetico. I genetisti chiamano un gene wild-type se l'allele in natura è presente nella maggior parte degli individui.
Non sempre la dominanza è completa perché alcuni geni sono soggetti da allelia multipla (più di due alleli).
Quando un soggeto eterozigota manifesta un fenotipo intermedio rispetto alla generazione partentale si dice che il gene è soggetto a dominanza incompleta. In alcuni casi entrambi gli alleli sono dominanti e si ha la codominanza (tipo il gruppo sanguigno AB).
Altri alleli hanno effetti fenotipici multipli e viene chiamato pleiotropico.

Come interagiscono i geni?
Un locus genico è la posizione nel cromosoma di un gene e viene definito polimorfico se può presentare un gene mutante.
L'epistasi è l'influenza tra geni nell'espressione fenotipica. In alcune espressione fenotipiche (statura, colore della pelle) il carattere è poligenico, cioè più geni diversi collaborano al risultato finale.

I geni associati risiedono nello stesso cromosoma e tendono ad essere distribuiti contemporanenamente, ad eccezione del crossing over, incidendo sulla seconda legge di Mendel, in quanto i caratteri osservati si trovavano su cromosomi diversi. La probabilitàù con cui due geni presenti sullo stesso cromosoma si ricombinino è legata alla loro distanza: se sono vicine è bassa, se sono lontani avverrà quasi certamente.

Le leggi della genetica mendialiana e post-medeliana possono essere utilizzate per prevedere la trasmissione di malattie genetiche nell'uomo. La maggioranza delle malattie genetiche sono determinate da un allele recessivo.
Generalmente le malattie genetiche sono dovute alla produzione di un enzima difettoso che interrompe la via metabolica, nel caso però degli eterozigoti l'allele dominante riesce a supplire.
Una proteina enzimatica può facilmente subire mutazioni che ne compromettono la funzionalità, se la posizione dell'amminoacido è sbagliata o l'amminoacido ha una carica diversa dal previsto si possono creare dei danni allosterici impossibilitando il legame del substrato col sito attivo.
Malattie genetiche autosomiche recessive: fibrosi cistica, fenilchetonuria, alcune forme di diabete, galattosemia.
Generalmente malattie dovute ad un allele dominante vengono rimosse velocemente dalla popolazione se l'individuo non riesce a riprodursi. La malattia di Huntington (HD) è una malattia neurodegenerativa progressiva che subentra nell'età adulta dopo i 30 anni e sfocia nella demenza, purtroppo la progenie porta un 50% di alleli malati.
Altre malattie genetiche autosomiche dominanti sono il nanismo acondroplasico, polidattilia, neurofibtomatosi, galucoma cronico.
Nell'anemia falciforme gli individui eterozigoti presentano entrambi i globuli rossi poiché l'allele è codominante.
Questa mutazione è sopravvisuta perché i globuli rossi falciformi resistono all'infezione della malaria. Il costo è che un individuo della progenie su 4 presenterà l'omozigosi per l'allele dell'anemia falciforme e non soppravviverà.

44/46 cromosomi umani costituiscono gli autosomi, cioè contengono la stessa sequenza di geni,ma non esatta sequenza di DNA perché possono essere portatori di alleli diversi.
I rimanenti due sono cromosomi sessuali o eterocromosomi. e vengono designati con X e Y, nella porzione non omologa vi sono i geni che permettono la differenziazione sessuale.
Nell'uomo XX è un individuo femmina (sesso omogametico), e XY è un individuo maschio (sesso eterogametico).
I gameti femminili sono sempre X e gli spermatozoi possono essere X e Y ed hanno una resistenza diversa.
Alcuni geni che si trovano nella porzione non omologa del cromosoma X, che quindi non ha un omologo in Y, dà degli effetti nei maschi che non hanno un allele dominante. Il daltonismo, e l'emofilia sono malattie prevalentemente maschili prodotte dall'eterocromosoma X materno.

Le mutazioni possono essere geniche o cromosomiche.
Le mutazioni geniche o puntiformi sono dovute alla sostituzione, delezione, inserzione di basi nucleotidiche nel DNA.
Le mutazione geniche dovute a sostituzioni producono proteine alterate e le conseguenze sono di 3 tipi:
- mutazione silente → riguardano alla terza base del codone di mRNA che spesso è ininfluente per l'amminoacido.
- mutazione di senso → una base del codone altera l'amminoacido codificato (variazione genetica su cui lavora la Selezione Naturale).
- mutazione non senso → il codone rappresenta un amminoacido invece del codone di inizio o di stop, o viceversa.

Nella delezione e inserzione tutto il codice genetico seguente viene traslato e quindi completamente alterato. Potrebbe essere dovuto ad un errore di replicazione del DNA o da agenti fisici (X o UV) o agenti mutageni chimici.

Le mutazioni nella struttura dei cromosomi sono 4:
- delezione → parte del cromosoma viene perduta (sindrome du cri du chat).
- duplicazione → parte del cromosoma viene duplicato provocando danni nella regolazione dell'espressione.
- inversione → in seguito ad una rottura il cromosoma viene riunito in posizione invertita, non dà conseguenze gravi eccetto che non avverrà il crossing over.
- traslocazione → in seguito ad una rottura una parte del cromosoma si stacca e viene inserito in un cromosoma diverso, rendondo complicato l'appaiamento durante la meiosi.

Nella mutazione del numero dei cromosomi (aneuploidia) se durante la meiosi una coppia di cromosomi non si separa (non disgiunzione) avremo una cellula con un cromosoma in meno (monosomia) e una con un cromosoma in più (trisomia). Nessuna monosomia permette lo sviluppo dell'embrione, mentre per la trisomia del cromosoma 21 si ha la sindrome di Down. L'aneuploidia colpisce 2/10 delle gravidanze. La sindrome di Down 1/700 e l'età della madre è direttamente proporzionale con la probabilità di nascita di un figlio Down.
Aneuploidia agli eterocromosomi causa minor perturbamento dell'equilibrio genico: X0 sindrome di Turner, XXX metafemmina, XXY sindrome di Klinefelter, XYY maschio normale.

Biologia applicata: il ciclo cellulare

Affinché una cellula si divida sono necessari 4 eventi:
- segnale riproduttivo → interno o esterno
- duplicazione del DNA
- segregazione → il DNA duplicato si divide nelle cellule figlie
- citodieresi → le cellule figlie si separano

I procarioti si dividono per scissione, le condizioni ambientali determinano il tasso di riproduzione e il tempo di riproduzione. Nella duplicazione del DNA, generalmente contenuto in un solo cromosoma a forma circolare, sono importanti le regioni di ori (origine della replicazione) e ter (termine della replicazione). Il DNA viene replicato al centro della cellula e successivamente le regioni ori si muovono ai poli con l'accrescimento del plasmalemma. La citodieresi inizia con una strozzatura della membrana plasmatica con un anello, viene sintetizzato nuovo materiale della parete cellulare.

Gli eucarioti si dividono per mitosi o meiosi (solo gameti). Le cellule eucariotiche non si dividono continuamente né per condizione ambientale e contengono più cromosomi e organelli nel citoplasma.
L'insieme degli eventi che compongono la vita eucariotica è detto ciclo cellulare. Le macrofasi sono 2: interfase e mitosi (M). L'interfase si compone di 3 fasi: stabilità cellulare (G1), sintesi del DNA (S) e periodo tra sintesi e divisione (G2).
L'enzima che induce il passaggio a M è detto chinasi ciclina-dipendente o Cdk attivati da una ciclina. La cellula procede con la duplicazione una volta superato il punto di restrizione R in G1. La proteina retinoblastoma (RB) inibisce il ciclo, ma se viene fosforilata si procede ad S.

Durante la duplicazione la cromatina si condensa a formare i cromosomi, una volta duplicati sono due cromatidi fratelli uniti nel centromero da una proteina detta coesina e rivestiti di condensine.
La cromatina è la sequenza di DNA ripiegata in nucleosomi, cioè DNA avvolto attorno 4 coppie di istoni e bloccato esternamente dall'istone H1.
Durante la replicazione del DNA i centrosomi (coppie di centrioli, punti di partenza dei microtuboli) raggiungono i poli opposti del nucleo.
Le fasi della mitosi sono 6: nella profase i cromatidi sono ancora uniti e si formano i cinetocori, le sedi in cui i cromatidi vengono agganciati al fuso (il reticolo di microtuboli). Nella prometafase lìinvolucro nucleare si dissolve e sono agganciati al fuso. Nella metafase il cromatidi sono divisi in cromosomi e sono disposti nella piastra equatoriale del nucleo. Nell'anafase i cromosomi figli si muovono ai poli opposti e infine nella telofase la cromatina si despiralizza, si formano i nuclei e inizia la citodieresi.
Nella citodieresi l'actina e la miosina formano un anello contrattile che separa il citoplasma, gli organelli interni vengono separati.

La mitosi può essere ripetuta indefinite volte, mentra la meiosi dà origine a sole 4 cellule figlie.
La meiosi serve per produrre un gamete che contiene un cariotipo dimezzato (aploide) rispetto alla cellula zigote. Lo zigote sarà l'unione di due gameti con due corredi cromosomici diversi (diploide).

Durante la meiosi il nucelo si divide due volte, ma il DNA viene duplicato una volta sola. La prima divisione meiotica (meiosi I) dimezza il numero di cromosomi e i cromosomi migrano ai poli della cellula. Nella profase I, i cromosomi omologhi (che anno gli stessi geni) si appaiano lungo l'asse maggiore. I cromatidi adiacenti formano un chiasma che permette di scambiare materiale genetico tra un cromatidio all'altro (crossing over). Questo aumenta la variabilità genetica ulteriormente e permette ad un individuo di poter trasmettere geni che possono essere due cromosomi diversi.
Al termine della meiosi II si avranno 4 cellule figlie apolidi.

Biologia applicata: la membrana cellulare

La struttura della membrana biologica è conosciuta come mosaico fluido, le pareti sono costituite da fosfolipidi bilayer. Le teste polari (gruppi fosfato) sono idrofile e sono rivole alle estremità, mentre le code polari (acidi grassi) idrofobiche sono all'interno.
La fluidità è data dalla composizione lipidica (lunghezza delle catene di acidi grassi, saturazione, polarità data dai gruppi fosfato) e dalla temperatura.
Una quantità tra lo 0 e il 20% è costituita dal colesterolo che impedisce alle membrane di irrigidirsi alle basse temperature e di divenire troppo fluide alle alte.

La densità media di proteine è di 1 su 25 molecole fosfolipidiche e si dividono in due tipi:
- le proteine integrali penetrano attraverso la parete fosfolipidica, quelle che l'attraversano completamente sono dette proteine transmembrana.
- le proteine periferiche che non sono immerse nel bilayer.
Alcune proteine non sono libere di muoversi e sono ancorate tramite il citoscheletro o a lipidi galleggianti semifluidi.

I fosfolipidi vengono sintetizzati nel reticolo endoplasmatico liscio e le proteine nel reticolo endoplasmatico rugoso.

Carboidrati sono situati alle estremità esterne delle proteine transmembrana e hanno la funzione di siti di riconoscimento e di segnalazione. Sono glicolipidi e glicoproteine.

Le membrane permettono di essere attraversate solo da alcune sostanze, permeabilità selettiva. Esistono due modi per il trasporto di sostanze passivo, che non richiede energia ulteriore, e attivo, richiede ATP.
La diffusione passiva avviene per diffusione che può essere semplice o facilitata.
La diffusione è il processo con cui una soluzione raggiunge uno stato di equilibrio in cui vi è il movimento netto di particelle tra una parte ad alta concentrazione ad uno a bassa concentrazione,
La velocità di diffusione è funzione di diametro delle molecole, della temperatura della soluzione, la carica elettrica e gradiente di concentrazione che è il cambiamento di concentrazione tra punti diversi. Una soluzione può essere isotonica, ipertonica o ipotonica relativamente alla comparazione di soluto rispetto ad un'altra.
Tanto più una molecola è liposolubile, quindi idrofoba, tanto penetra più facilmente attraverso la membrana.

Nel caso la sostanza non fosse liposolubile essa attraversa la membrana attraverso il gradiente di concentrazione tramite specifiche proteine (diffusione facilitata).
Esistono proteine canale, come i canali ionici che permettono il passaggio selettivo di un tipo di ione, e proteine carrier che aiutano il passaggio di molecole complesse.
I canali ionici sono al centro di ogni attività del sistema nervoso, e possono essere regolati (quindi ad accesso variabile) da messageri intra/extracellulari, cambiamenti elettrici o stimoli meccanici.

Il trasporto delle sostanze contro il gradiente di concentrazione avviene attraverso proteine carrier che necessitano di ATP e ognuna è specializzata per un tipo di sostanza. Si dividono in uniporto (una molecola una direzione), simporto (più molecole una direzione) e antiporto (più molecole diverse direzioni). Un carrier antiporto molto importante è la pompa sodio-potassio, che fa entrare 2 ioni K+ e uscire 3 ioni Na+ con l'effetto che la concentrazione di questi sia molto diversa tra l'interno e l'esterno della cellula.

L'endocitosi è il modo che la cellula ha per introdurre molecole di grosse dimensioni e l'esocitosi è il processo inverso.
L'endocitosi può essere fagocitosi (ingestione di solidi), pinocitosi (ingestioni di liquidi) e endocitosi mediata da recettori o captazione.
Alcune proteine (come la clatrina) rivestono esternamente le porzioni di membrane plasmatica specializzate, chiamate fossette rivestita, la fossetta si invagina e si forma una vescicola.