Fondamenti Di Neuroscienze - Capitolo04

Appunti del Corso di Fisiologia Generale II Prof. Ezio Musso Facoltà di Scienze MM. FF. NN. Corso di Laurea in Scienze Biologiche Indirizzo Fisio-Patologico - Vecchio Ordinamento Università degli Studi di Parma Autore: Elisa Lodi Rizzini

Central sulcus

Primary motor cortex Supplementary motor cortex Premotor cortex Frontal visual cortex

7 40 43

10

Orbitofrontal cortex Lateral sulcus Limbic association cortex. Higher auditory cortex Primary auditory cortex

Primary somatic sensory cortex (postcentral gyrus)

5

8 9

Prefrontal associative cortex Broca’s area

4

6

3 1 2

44 45 11 47 38

22

41

Wernicke’s area 42

39

Parietal, temporal, occipital associative cortex

19 18

21 20

17

Primary visual cortex Higher visual cortex Cerebellum

1–47 : Brodm ann’s are as

Appunti del Corso di Fisiologia generale II Prof. Ezio Musso Facoltà di Scienze MM. FF. NN. - Corso di Laurea in Scienze Biologiche Indirizzo Fisio-Patologico - Vecchio Ordinamento Università degli Studi di Parma

Al fine di evitare spiacevoli inconvenienti si specifica che questa dispensa contiene esclusivamente i MIEI APPUNTI, i quali non sono mai stati sottoposti all’attenzione dei docenti nè da loro convalidati. Per questo motivo essi non possono per nulla ritenersi privi da errori, sia di forma che di concetto. Gli appunti sono stati integrati con alcune parti del libro di testo, con materiale preso dal web e con immagini scansionate da atlanti anatomici o scaricate da internet. Resto comunque disponibile a correggere eventuali errori la cui segnalazione è anzi gradita. La dispensa rimarrà a disposizione di tutti ma sarebbe per me motivo di grande dispiacere (e non solo…) sapere che qualcuno cerchi di ricavarne dei soldi. Elisa Lodi Rizzini Solarolo R. - Cremona

la corteccia cerebrale Viene anche detta pallio ed è la parte filogeneticamente più recente di tutto il SNC (Sistema Nervoso Centrale). Il suo sviluppo, nelle diverse specie, cresce parallelamente all’accrescersi delle capacità integrative superiori. Nell’uomo ha queste caratteristiche: • superficie: Circa 2200 cm2 (soprattutto grazie alla presenza di solchi e circonvoluzioni). • spessore: Da 1,3 a 4,5 mm. • volume: Circa 600 cm3. • Numero di neuroni: Circa 109 / 1010. Le cellule gliali si aggiungono poi al conteggio delle cellule corticali, ma non si sa esattamente quante possano essere. Oltre il 90% della corteccia è tipicamente stratificato. Si tratta della neocortex (o ISOCORTECCIA), con 6 strati cellulari tipici. Il restante 10% (filogeneticamente più antico) ha un’altra struttura. Si tratta della paleocortex (o ARCHICORTEX, o ALLOCORTECCIA).

Gli strati delle cellule corticali I. Strato MOLECOLARE II. Strato GRANULARE ESTERNO III. Strato PIRAMIDALE ESTERNO IV. Strato GRANULARE INTERNO V. Strato PIRAMIDALE INTERNO VI. Strato FUSIFORME

I strato: strato molecolare Si trova immediatamente sotto alla pia madre ed è costituito da arborizzazioni dendritiche e fibre nervose.

II e IV strato: strati granulari esterno ed interno Sono entrambi costituiti da neuroni molto piccoli (circa 10 μm di diametro) detti granuli (o cellule stellate) con numerosissimi dendriti diretti in tutte le direzioni e con un neurite abbastanza breve che si esaurisce all’interno della corteccia stessa (conferendo a questo tipo di cellule la proprietà di neurone internuciale).

III e V strato: strati piramidali esterno ed interno Sono entrambi costituiti da cellule con forma piramidale, generalmente di grosse dimensioni (quelle del V strato sono però più grandi con un diametro di 30/100 μm). Hanno un dendrite apicale che sale negli strati soprastanti e, oltre a questo, altri dendriti che escono dalla base del soma con sviluppo parallelo all’andamento della superficie corticale. Il neurite si diparte dalla base del soma proiettando ad altre aree corticali, a strutture profonde dell’encefalo ed al midollo spinale.

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VI strato: strato fusiforme E’ caratterizzato dalla presenza di neuroni fusiformi (10/15 μm di diametro e 30 μm di lunghezza) con disposizione perpendicolare alla superficie encefalica. Il neurite si proietta ai nuclei encefalici profondi e, soprattutto, ai talami.

Immagine 014. I sei strati di cellule corticali esemplificati schematizzando alcune delle colorazioni principali per i tessuti nervosi

I II III IV V

Columns

VI

Surface 1

2

3

4 Unspecific thalamocortical fibers

I II III

Pyramidal cell

Commissural fibers

Stellate cell

Axon

IV V

Principal dendrite

Stellate cell Pyramidal Associacell tion fibers

Specific thalamocortical fibers

Commissural fibers

Axon collateral

VI Neurons

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Association fibers

Corticocortical connections

Thalamic afferents

Corticobulbar and spinal efferents

Immagine 015. Schema degli strati della corteccia cerebrale e relative interconnessioni. Le frecce definiscono se la fibra è afferente (freccia verso l’alto) oppure efferente (freccia verso il basso). In alto a sinistra è segnato uno schema dell’organizzazione colonnare.

suddivisioni corticali La corteccia può essere suddivisa in circa 50 campi cerebrali differenti, riconducibili però a soli 5 tipi fondamentali. Tre di questi tipi (II, III, e IV) contengono, anche se in misure diverse, tutti e sei gli strati cellulari tipici della corteccia cerebrale (corteccia omotipica), i due tipi rimanenti (I e V) non presentano tutti gli strati, e la corteccia viene detta corteccia eterotipica. Nella corteccia di I tipo mangano i granuli e viene considerata una tipica corteccia motoria. Nella corteccia di V tipo ci sono invece molti granuli e la corteccia è tipicamente sensoriale. La corteccia omotipica (II, III e IV tipo) nell’uomo occupa un’area assai più grande di quella occupata dalle due cortecce eterotipiche messe assieme ed è la sede dei processi mentali e psichici superiori (associazione).

Immagine 016. Strati di cellule nei diversi tipi di corteccia.

organizzazione neuronica corticale E’ poco nota. Tuttavia ci sono degli schemi di connessione: Connessioni EFFERENTI: Sono quasi esclusivamente costituite dai neuriti delle cellule piramidali e dei fusi. Il III strato manda informazioni verso le altre aree corticali. Il V strato proietta verso il tronco encefalico ed il midollo spinale. Il VI strato manda informazioni ai nuclei profondi degli emisferi cerebrali. In base alle strutture che vanno ad innervare, le aree corticali si distinguono in: - AREE PROIETTIVE: Verso formazioni sottocorticali, encefaliche o spinali. - AREE ASSOCIATIVE: Verso le altre aree corticali. - AREE COMMISSURALI: Verso l’altro emisfero.

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connessioni afferenti: Fibre afferenti che connettono aree corticali diverse raggiungono gli strati I e II. Fibre afferenti che provengono dai talami giungono agli strati IV e VI. Fibre afferenti che provengono dalla sostanza reticolare possono raggiungere tutti gli strati. N.B.: Le fibre afferenti fanno sinapsi prevalentemente sui granuli e sulle cellule piramidali. connessioni intracorticali: Sono mediate in genere dai granuli, che ricevono informazioni dai collaterali dei neuriti delle cellule piramidali ed inviano informazioni sempre alle cellule piramidali, formando sinapsi asso-dendritiche inibitorie oppure eccitatorie. Le sinapsi INIBITORIE sono “lisce” e come neurotrasmettitore utilizzano il GABA. Le sinapsi ECCITATORIE sono invece “a spina”: dai dendriti della cellula piramidale si dipartono dei “peduncoli” che fanno sinapsi con il bottone sinaptico che si trova al termine dell’assone del granulo. In molte aree corticali è stata dimostrata una estesissima rete di connessione tra i neuroni dei diversi strati: connessioni ortogonali che formano l’ORGANIZZAZIONE COLONNARE, dotata di una certa autonomia nell’elaborazione dei segnali. Ad esempio, in ciascuna colonna dell’area precentrale si ha l’arrivo delle afferenze a livello degli strati superficiali e l’invio delle efferenze a livello degli strati profondi relativi alla stessa parte del corpo. Ogni colonna è connessa alla adiacente mediante collegamenti orizzontali.

la corteccia cerebrale e la funzione motoria Le aree cerebrali interessate al controllo dei movimenti sono diverse e sono localizzate nei lobi frontale e parietale degli emisferi. La funzione motoria di queste aree si evidenzia con stimolazione elettrica (che evoca risposte motorie nelle diverse parti dell’organismo) o con distruzione (che compromette in misura diversa i movimenti). Entrambe le procedure (elettrostimolazione e distruzione) hanno effetti controlaterali. Le principali aree con funzione motoria sono: 1 - area motoria primaria ovvero la circonvoluzione precentrale o prerolandica. 2 - area premotoria che sta davanti alla corteccia motrice primaria. 3 - area motoria supplementare (o secondaria) che è situata sulla faccia mediale del lobo frontale, in posizione leggermente anteriore rispetto all’area motoria primaria.

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Immagine 017. Organizzazione generale della corteccia secondo le funzioni principali

L’organizzazione delle 3 aree motorie è quella della corteccia AGRANULARE (I tipo) , con il 4° strato ridotto o addirittura assente ed il 5° strato che contiene neuroni piramidali grandi (cellule gigantopiramidali di Betz) e di dimensioni normali. La maggior parte degli assoni (circa il 60%) entra nella formazione dei tratti cortico-spinali. Le regioni del lobo parietale che evocano risposte motorie con stimolazione elettrica sono la corteccia somatosensoriale della circonvoluzione postcentrale e la corteccia parietale posteriore (posteriore alla precedente). Da queste aree prende origine il rimanente 40% degli assoni dei tratti cortico-spinali. Le risposte alla stimolazione elettrica sono complesse (azioni coordinate) ed altamente specifiche per ogni area: è presente infatti una precisissima organizzazione somatotopica.

organizzazione somatotopica delle aree motorie Si può costruire una mappa precisa di tutte le proiezioni delle diverse parti dell’organismo per ogni emisfero (omuncolo motorio).

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Immagine 018. Omuncolo motorio proiettato sulla corteccia precentrale (o prerolandica)

Area Motoria Primaria LOCALIZZAZIONE MEDIALE-LATERALE: Le parti cefaliche dell’organismo sono rappresentate in posizione più laterale rispetto a quelle caudali che sono invece più mediali. LOCALIZZAZIONE ANTERIORE-POSTERIORE: La muscolatura assiale e dei cingoli si trova rappresentata lungo il margine anteriore della circonvoluzione mentre quella degli arti è posta lungo il margine posteriore. L’estensione relativa delle aree rappresentative è strettamente correlata alla capacità di compiere movimenti fini (a questo proposito è opportuno notare che la rappresentazione più estesa è quella relativa alla mano, seguita, per quanto riguarda l’estensione relativa, dalla rappresentazione di faccia e lingua).

Aspetti particolari della rappresentazione 1. Tutte le rappresentazioni sono unilaterali (fatta eccezione per l’area facciale) 2. Rappresentazioni analoghe (anche se meno precise) si trovano anche nell’area premotoria e nell’area motoria supplementare. 3. A parità di localizzazione, le risposte alla stimolazione elettrica possono avere intensità e carattere diversi.

Afferenze Le tre aree motorie principali ricevono afferenze da: • periferia: I segnali vengono ritrasmessi direttamente alla corteccia primaria (attraverso il talamo e la corteccia somato-estesica) o indirettamente alle aree premotorie (attraverso le aree associative sensoriali). • cervelletto: I segnali vengono ritrasmessi dal talamo e si distribuiscono alla corteccia motoria primaria ed alla corteccia premotoria. • globus pallidus: I segnali vengono ritrasmessi attraverso il talamo. • corteccia somatosensoriale E aree associative sensoriali: Le afferenze raggiungono l’area motoria direttamente oppure indirettamente (attraverso l’area premotoria e l’area motoria supplementare).

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osservazioni sperimentali 1. Registrazione dell’attività intra-cellulare ed extra-cellulare durante un movimento volontario Intracellulare: Compare l’attività nelle cellule piramidali di grosse dimensioni e si ha modulazione di un’attività tonica nelle cellule piramidali di modeste dimensioni. Extracellulare: Si hanno potenziali premotori di ampiezza modesta (nei 50/80 msec precedenti il movimento) e quindi potenziali motori di notevole ampiezza (durante l’esecuzione del movimento).

2. Prove di stimolazione elettrica stimolazione superficiale: Detremina movimenti discreti controlaterali in un grande numero di muscoli. microstimolazione intracorticale: E’ possibile creare risposte limitate nei singoli muscoli indicando una organizzazione topografica molto fine. Le aree somatotopiche sono tutte leggermente sovrapposte. Alcune zone hanno efferenze per muscoli sinergici (che però possono anche essere molto lontani tra loro nella localizzazione all’interno dell’organismo).

Conclusione La corteccia somatomotoria costituisce la stazione esecutiva dei movimenti volontari (la cui progettazione avviene altrove). E’ un mosaico di punti motori, ognuno dei quali è specifico per muscoli o gruppi di muscoli organizzati più che altro per funzione e non secondo la topografia (vedi l’esempio precedente sui muscoli sinergici distanti tra loro). I punti motori (zone corticali efferenti) hanno la tipica organizzazione colonnare.

area motoria primaria: aspetti funzionali L’area motoria primaria provvede a: 1. codificazione della forza del movimento: si ha una relazione positiva tra frequenza di un neurone che diventa attivo per la flessione del polso e carico applicato ai muscoli flessori stessi. La scarica scompare se si applica un carico che provoca il rilassamento passivo dei muscoli antagonisti dei flessori del polso, favorendo la flessione stessa. 2. codificazione della direzione del movimento in scimmie addestrate a spostare una sbarra verso un bersaglio: l’attività dei neuroni corticali varia con la direzione del movimento. La scarica ha elevata intensità per una direzione e va incontro ad estinzione per la direzione opposta. 3. raccolta di informazioni sulle conseguenze del movimento: si ha che le informazioni sono di tipo PROPRIOCETTIVO e TATTILE SUPERFICIALE e contengono input sulla posizione dei segmenti corporei e sulla velocità del movimento. Si trasmettono attraverso proiezioni dirette dal talamo o attraverso connessioni cortico-corticali dalla corteccia somatosensitiva.

Reazione tattile di piazzamento Stimoliamo la superficie dorsale dell’arto dell’animale tenuto sospeso e questo flette e successivamente estende la zampa.

l’area motoria supplementare (o secondaria) Dà luogo a risposte motorie (in genere movimenti complessi e frequentemente bilaterali) se gli stimoli sono di intensità elevata. I movimenti sono mediati da proiezioni al midollo spinale dirette (in piccola parte) oppure indirette (per la maggior parte). Le principali funzioni sono: La corteccia cerebrale - 29

1. coordinazione dei movimenti complessi: nella scimmia, lesioni dell’area motoria supplementare provocano difficoltà ad eseguire attività complesse che richiedano l’uso coordinato delle due mani. 2. coordinazione della postura e del movimento: per lo svolgimento di un movimento è necessario fare ricorso a programmi sia per l’inizio del movimento stesso, sia per generare la RISPOSTA POSTURALE coordinata del movimento. Quest’ultimo programma richiede l’integrità di quest’area. 3. programmazione delle sequenze dei movimenti: l’area motoria supplementare svolge un ruolo nel movimento volontario complesso che richiede la stesura di un piano. Questo ruolo è stato recentemente dimostrato nell’uomo mediante misura del flusso ematico cerebrale durante l’esecuzione di particolari movimenti.

ESEMPIO La semplice pressione di un dito contro una molla provoca aumento del flusso ematico nell’area di rappresentazione della mano nella corteccia motoria primaria e nella corteccia somatosensitiva primaria. Durante l’esecuzione di una complessa sequenza di movimenti delle dita, il flusso ematico aumenterà ANCHE in corrispondenza dell’area motoria supplementare. Se il movimento viene solamente pensato, il flusso aumenta SOLO verso l’area motoria supplementare.

l’area premotoria Le risposte compaiono solo in seguito a stimoli molto intensi e vengono generalmente evocate contrazioni coordinate di muscoli che agiscono su articolazioni diverse. Le funzioni sono svolte mediante proiezioni spinali (tratto cortico-spinale), su aree dello stelo encefalico (per il controllo della postura) e sulla corteccia motoria. Le principali funzioni sono: 1. disposizione della postura all’inizio del movimento programmato (attivazione dei neuroni SET-RELATED): i movimenti vengono effettuati a seguito di istruzioni che danno l’idea di ciò che si deve fare (ad esempio, alla vista del semaforo giallo, noi deduciamo che dovremo fermarci). 2. preparazione dell’individuo ad agire: esiste una relazione positiva tra il tempo necessario alla preparazione del movimento e complessità del movimento stesso.

le aree parietali a funzione motoria Corteccia Parietale Posteriore e movimento volontario Per l’individuazione del ruolo svolto da quest’area nella funzione motoria, si devono considerare le fasi che caratterizzano un movimento volontario e lo differenziano dal movimento riflesso: • Identificazione e localizzazione dell’oggetto scopo del movimento (fase che richiede, da parte delle aree parietali posteriori, l’elaborazione delle informazioni visive specifiche necessarie a muovere verso un bersaglio) • Piano di azione del movimento • Esecuzione del movimento Una alterazione della corteccia parietale provoca alterazione dei movimenti guidati dalle informazioni visive. Nella corteccia parietale, gruppi di neuroni vengono attivati limitatamente a stimoli sensoriali che si inquadrano nell’ambito di risposte comportamentali. Neuroni di proiezione del braccio (allungamento del braccio per afferrare), neuroni di manipolazione e neuroni di coordinazione manoocchio (che scaricano quando gli occhi si girano verso l’oggetto da raggiungere). La corteccia cerebrale - 30