Lezioni 4 - 8

La sequenza degli eventi elettrofisiologici alla base della
trasmissione sinaptica. Il ritardo sinaptico.
Fatto …
Le correnti Na +
e K + NON
sono
necessarie per
il rilascio del Nt

Esperimento Katz no Calcio extracellulare

Fase 2: il rilascio
La depolarizzazione del terminale presinaptico causata
dal potenziale di azione apre i canali calcio voltaggiodipendenti.
Lo ione calcio (Ca++) ha un potenziale di equilibrio
positivo e ha quindi una f.e.m. che lo spinge ad entrare
nel terminale.
Una volta entrato, il Ca lega delle proteine presenti sulla
superficie delle vescicole contenenti il neurotrasmettitore
(vescicole sinaptiche) determinando la fusione delle
vescicole con la membrana cellulare e la liberazione nel
vallo sinaptico del neurotrasmettitore contenuto nelle
vescicole.

Per minimizzare i tempi di questo processo le
vescicole sono già giustapposte alla membrana
prima dell’arrivo del potenziale di azione. Inoltre
le vescicole sono radunate in una zona del
terminale, la zona attiva, in cui si trovano
concentrati i canali calcio voltaggio-dipendenti.
In questo modo il Ca che entra trova
immediatamente il suo bersaglio sulla vescicola
sinaptica e la vescicola può immediatamente
completare la fusione e rilasciare il
neurotrasmettitore.

In che modo il Calcio determina la fusione delle
vescicole??
V-SNARE
Interazioni con il complesso SNARE
Indicazioni da esperimenti con tossine
clostridiche (botulino e tetano)
T-SNARE
+ Ca 2+

Affinchè la sinapsi sia pronta a rispondere a nuovi stimoli,
una fase cruciale della trasmissione sinaptica è la
rimozione dei neurotrasmettitori subito dopo il loro
rilascio. Ciò può avvenire secondo tre meccanismi:
diffusione, degradazione e riassunzione.
La diffusione permette l’allontanamento del
neurotrasmettitore dal sito di rilascio; la degradazione è
utilizzata solo per alcuni neurotrasmettitori (ad es.
l’acetilcolina) ed è eseguita da enzimi specifici posti
extracellularmente tra il versante presinaptico e quello
postsinaptico; la riassunzione del neurotrasmettitore è un
meccanismo abbastanza comune tra i diversi
neurotrasmettitori ed avviene tramite proteine trasportatrici
poste sulla membrana del neurone o delle cellule gliali che
internalizzano i neurotrasmettitori rilasciati.

L’azione dei neurotrasmettitori a livello postsinaptico è
stata inizialmente investigata a livello della sinapsi
neuromuscolare.
Si è osservato che l’acetilcolina lega selettivamente
recettori sinaptici, i recettori per l’acetilcolina di tipo
nicotinico, che sono localizzati sulla membrana
postsinaptica.
Oltre a legare il neurotrasmettitore questi recettori
formano anche un canale e fanno quindi parte della
categoria dei canali ligando-dipendenti.

Per studiare quali ioni attraversino i recettori-canale dell’acetilcolina,
sono state misurate le correnti sinaptiche evocate nel terminale
postsinaptico dalla stimolazione degli assoni presinaptici imponendo
sperimentalmente diversi valori del potenziale di membrana alla cellula
postsinaptica.
Individuare a quale potenziale di membrana le correnti ioniche che
attraversano i recettori-canali si azzerano dà un’importante informazione
in quanto, a seconda del suo valore, indica se la corrente sinaptica è
mediata dal sodio, dal potassio o da entrambi.
Gli esperimenti hanno mostrato che la corrente sinaptica che attraversa
i recettori nicotinici per l’acetilcolina diventa nulla se si impone un
potenziale di membrana di 0 mV. Questo potenziale viene chiamato
potenziale di inversione.
Un potenziale di inversione di 0 mV non corrisponde né al potenziale di
equilibrio del potassio E K né a quello del sodio E Na . In effetti, i recettori
nicotinici per l’acetilcolina hanno permeabilità mista sodio-potassio.

Fase 3: il cambiamento del potenziale di membrana
postsinaptica
La trasmissione sinaptica eccitatoria
Si definisce eccitatoria una sinapsi la cui attivazione
aumenta la probabilità che il neurone postsinapico
produca potenziali di azione.
Il risultato di una trasmissione sinaptica eccitatoria nella
maggior parte dei casi è una depolarizzazione del
terminale postsinaptico (EPSP). Nel sistema nervoso
centrale la gran parte delle sinapsi eccitatorie utilizza il
glutammato mentre alla sinapsi neuromuscolare viene
utilizzata l’acetilcolina.

Oltre a suggerire quali ioni formino la corrente sinaptica, il fatto
che il potenziale di inversione sia 0 mV ci indica anche la natura
eccitatoria della sinapsi neuromuscolare. Difatti, se il potenziale di
membrana fosse minore di 0 mV, la f.e.m. spingerebbe le cariche
positive che attraversano i canali aperti dall’acetilcolina ad entrare
fino a che Vm non raggiungesse il valore del potenziale di
inversione. A quel valore la f.e.m. si annullerebbe e di
conseguenza si annullerebbe anche la corrente sinaptica.
Ciò significa che l’attivazione di questa sinapsi tende a portare il
potenziale di membrana a 0 mV, un valore molto superiore al
valore soglia per l’innesco del potenziale di azione e, in definitiva,
ad aumentare la probabilità che la cellula postsinaptica generi un
potenziale di azione.
È quindi evidente che l’azione eccitatoria o inibitoria di un
neurotrasmettitore dipende dal tipo di recettore sinaptico cui
esso si lega ed in particolare dal potenziale di inversione
della corrente sinaptica che da esso è determinata.

La
trasmissione
sinaptica
eccitatoria:

La trasmissione sinaptica inibitoria
Il GABA è il più importante
neurotrasmettitore inibitorio nel
cervello
La corrente inibitoria postsinaptica
(IPSC) che media gli
IPSP inverte a -70mV e cioe’
intorno al potenziale di riposo
del Cloro

Il risultato finale di tutta l’attivita’ sinaptica inibitoria ed eccitatoria
e’ rappresentata dalla frequenza di scarica in uscita lungo
l’assone.
L’inibizione modula la scarica impedendo l’instaurarsi di potenziali
di azione o diminuendo la probabilità che vengano generati.
Eccitatorio: avvicina V m alla soglia per la generazione di un
potenziale di azione
Inibitorio: diminuisce la probabilita’che si superi la soglia per la
generazione di un potenziale di azione.

La localizzazione preferenzialmente somatica delle sinapsi
inibitorie favorisce la loro azione di blocco dell’azione di
sinapsi eccitatorie simultaneamente attive.

Recettori a secondo messaggero: glutamato

La trasmissione sinaptica indiretta (o a secondo messaggero)
Trasmettitori:
GABA, glicina
Glutammato
Acetilcolina (nicotinici)
Trasmettitori:
GABA (GABAB)
Glutammato (metabotropici)
Acetilcolina (muscarinici)
Noradrenalina
Dopamina
Serotonina
Opioidi ed altri….

La trasmissione sinaptica a secondo messaggero segue uno schema stereotipato

Esempio: l’azione della serotonina
su neuroni di invertebrato.
L’eccitazione è indiretta e mediata
dalla chiusura di canali Potassio

Come dimostrare che una sostanza è un
neurotrasmettitore??

I neurotrasemttitori: acetilcolina

Il glutammato lega recettori-canaledi tipo NMDA e di tipo non-
NMDA; questi due tipi di recettori, pur legando entrambi il
glutammato, sono distinguibili sulla base della capacità di legarsi
o meno al composto NMDA.
A questa differenza farmacologica corrispondono più importanti
differenze funzionali.
I recettori non-NMDA hanno permeabilità ionica e potenziale di
inversione analoghi a quelli descritti per i recettori nicotinici per
l’acetilcolina; i recettori NMDA invece mostrano delle importanti
peculiarità.
L’apertura del recettore canale NMDA avviene solo se
l’azione del glutammato coincide con la depolarizzazione del
neurone postsinaptico. Questo recettore-canale è quindi un
esempio pressoché unico di canale sia ligando-dipendente
che voltaggio-dipendente ed è un perfetto detettore della
correlazione fra l’attività del neurone pre e postsinaptico.

Trasmissione sinaptica glutamatergica: recettori NMDA e non-
NMDA
La trasmissione sinaptica eccitatoria nel SNC ha come principale trasmettitore il
glutammato.
I recettori postsinaptici per il glutammato ionotropici (recettori-canali) possono
appartenere a due tipi diversi

I recettori non-NMDA (che si suddividono in AMPA e kainato a seconda
della loro affinita’ per queste due molecole) sono bloccati dall acido
quisqualico.
I recettori NMDA sono bloccati dall’acido fosfoaminovalerico (APV).
L’APV blocca una componente tardiva, V-dipendente della corrente
sinaptica
Se rimuovo il Magnesio extracellulare il recettore canale NMDa non e’ piu’ Vdipendente

Il recettore NMDA come detettore di correlazione fra l’attività dell’elemento
presinaptico e dell’elemento postsinaptico
L’Ipotesi di Hebb

La neuromodulazione
Le trasmissioni sinaptiche a secondo messaggero
influenzano l’eccitabilità della cellula postsinaptica
causando l’attivazione di cascate biochimiche che
regolano l’apertura o la chiusura di canali posti su
tutta la membrana postsinaptica.
Alcuni neurotrasmettitori possiedono solo recettori a
secondo messaggero.
L’attività di questi neurotrasmettittori
(neuromodulatori) è poco evidente per se, ma si
evidenzia con una facilitazione o depressione delle
risposte del neurone postsinaptico ad altri ingressi.
Questa è la neuromodulazione.

Es. di neuromodulazione: L’azione degli oppioidi sulla trasmissione del
dolore è mediata da sinapsi che modulano l’efficaci della sinapsi tra la fibra
nocicettiva afferente e il neurone che trasmette l’informazione dolorifica
centralmente.

Un esempio di
neuromodulazione:
la noradrenalina
rimuove
l’adattamento
chiudendo i canali
potassio calcio
dipendenti nei
neuroni
dell’ippocampo

Bersaglio privilegiato della trasmissione sinaptica
a secondo messaggero (e quindi della
neuromodulazione) sono i canali Potassio
Passivi (che succede?)
V-dip (che succede?)
Ca 2+ dipendenti (che succede?)
ed i canali Ca 2+ (modulazione presinaptica) (che
succede?)

I sistemi a proiezione diffusa
Sistema noradrenergico
Sistema dopaminergico

I recettori dei neuromodulatori sono anche bersaglio di farmaci o di
sostanze d’abuso:
Serotonina: Prozac, LSD
Dopamina: antipsicotici (clorpromazina, clozapina, spiperone, antipsicotici
di nuova generazione, SSRI)
Dopamina-noradrenalina: cocaina, amfetamina
Noradrenalina-dopamina-serotonina: antidepressivi (triciclici)
Sistema serotoninergico
Sistema colinergico

La sinapsi dopaminergica è un sito di azione per la modulazione delle psicosi

La concentrazione a
cui diversi farmaci
bloccano il recettore
D2 della Dopamina
correla con i loro
dosaggi efficaci
nell’ottenere l’azione
antipsicotica nel
paziente.
Per gli antipsicotici
atipici (amisulpride,
aripiprazolo,
clozapina, olanzapina,
quetiapina, risperidone
e zotepina), va tenuto
conto anche delle loro
interazioni con il
sistema
serotoninergico.
Anche lo spiperone
interagisce con
recettori
serotoninergici.

Integrazione dei segnali nervosi
Ricostruiamo un motoneurone del midollo spinale:
Riceve piu’ di 10000 sinapsi mediate da neurotrasmettitori diversi! Ma ha una singola
uscita:
i potenziali d’azione che possono variare in frequenza ma non in ampiezza

E’ quindi molto importante capire come
l’attività delle varie sinapsi si integrino.
Le proprieta’ passive sono importanti
e quindi la
localizzazione
delle sinapsi ,
che si
raggiunge
durante lo
sviluppo, e’
importante

La plasticità sinaptica

I circuiti nervosi possono modificarsi in risposta all’esperienza
Questa capacità si definisce plasticità neurale
La plasticità’ è presente in tutto il SNC, ma in particolar modo a livello
della corteccia cerebrale
Senza di essa
•Il nostro cervello non si sarebbe sviluppato in maniera
normale
•Il nostro comportamento sarebbe stereotipato ed
immodificabile dall’esperienza
•Saremmo esseri senza memoria del passato

I cambiamenti dei circuiti neurali in risposta all’esperienza
sono meno evidenti man mano che la plasticità corticale
diminuisce con il procedere dello sviluppo
Tuttavia, la plasticità corticale è presente nell’adulto, sia in
risposta ad aumenti dell’attività afferente (apprendimenti) sia in
risposta a riduzioni dell’attività afferente (lesioni)

In seguito ad una lesione al sistema nervoso centrale si
verifica una riorganizzazione dei circuiti neurali,
particolarmente evidente a livello corticale.
Tale riorganizzazione può condurre, nel caso di lesioni che
avvengono durante lo sviluppo, ad un recupero della
funzione danneggiata.
• Riorganizzazione perilesionale
• Riorganizzazione con spostamento all’emisfero
controlaterale
Il caso di lesioni alle aree dell’emisfero sinistro e lo
sviluppo del linguaggio:
• Il “costo” della plasticità
• La “non equipotenzialità” degli emisferi

Comprendere i meccanismi alla base della
plasticità corticale, sia durante lo sviluppo
che nell’adulto, potrebbe permettere di:
correggere difetti insorti in seguito ad un
processo di sviluppo deficitario o scorretto
sfruttare al meglio o potenziare i tentativi
spontanei di recupero che il sistema nervoso
mette in atto dopo una lesione

Le “regole” della plasticità
Raffinamento e maturazione dei circuiti neurali durante
lo sviluppo
Formazione di una traccia di memoria

Plasticità neurale: capacità dei circuiti nervosi di modificarsi,
cambiando quindi la loro uscita, in risposta all’esperienza
Cosa cambia nel circuito?
L’efficacia delle connessioni sinaptiche si modifica in risposta ai
cambiamenti nell’attività elettrica che l’esperienza induce nel
circuito
Ingresso
presinaptico
Risposta
postsinaptica
Esperienza
(cambio di attività mantenuto nel tempo)
Ingresso
presinaptico
Risposta
postsinaptica
o

Meccanismo Hebbiano di plasticità:
rafforzamento delle sinapsi con attivita’
sincrona
Principio di Hebb: se un neurone presinaptico A attiva
ripetutamente il neurone postsinaptico B la connessione sinaptica
fra A e B si rafforza (1949)
Corollario: se A fallisce ripetutamente nell’attivare B, la
connessione fra A e B si indebolisce

Neuroni presinaptici
attivi sincronicamente
Neuroni presinaptici
attivi asincronamente
Meccanismo Hebbiano di plasticità:
rafforzamento delle sinapsi con attivita’ sincrona
Attività del neurone
postsinaptico

La verifica sperimentale dell’ipotesi di Hebb si ebbe con la scoperta, all’inizio degli
anni ’70, del fenomeno del potenziamento a lungo termine (LTP).
Esempio di potenziamento
a lungo termine. Uno
stimolo ad alta frequenza
(treno di impulsi, indicato
con il triangolo nero)
produce un incremento
transitorio della risposta
sinaptica (LTP precoce).
Se si eseguono 4
stimolazioni ad alta
frequenza si ha un
potenziamento maggiore e
permanente nel tempo
(LTP tardivo). Tratto da
Kandel et al., 2003.
Monitorando le ampiezze degli EPSP ci si accorse che la risposta a stimoli test
somministrati a bassa frequenza (uno ogni 15-60 secondi) aumentava se la sinapsi
veniva sottoposta ad un breve episodio di stimolazione ad alta frequenza. Se
venivano somministrate ripetute stimolazioni ad alta frequenza, il potenziamento era
più ampio e permanente nel tempo. Questi fenomeni sono presenti sia in vitro che in
vivo e sono stati osservati in molte aree cerebrali.

Esperimenti successivi hanno mostrato che LTP della
trasmissione sinaptica in una via afferente veniva indotto anche
con una stimolazione a bassa frequenza, a patto che essa fosse
accoppiata ad una forte depolarizzazione della cellula
postsinaptica indotta dallo sperimentatore.
Questo esperimento verificava direttamente l’ipotesi di Hebb ed
identificava tre importanti proprietà del LTP:
la specificità del LTP per la via attivata, infatti la depolarizzazione
della cellula postsinaptica per se non induceva LTP nelle vie che
non erano state attive in coincidenza con la depolarizzazione;
l’associatività, per cui se una via era debolmente attiva in modo
però sincrono con una via fortemente attiva, andava incontro ad
egualmente ad LTP in quanto si realizzava una coincidenza
temporale tra il suo stato di attivazione e una forte attivazione
postsinaptica;
la cooperatività, per cui l’attivazione simultanea di numerose fibre
presinaptiche è necessaria per elicitare LTP.

Ingresso
presinaptico
Risposta
postsinaptica
Ingresso
presinaptico
Risposta
postsinaptica
Ingresso
presinaptico
Risposta
postsinaptica
Meccanismi di plasticità sinaptica
(non alternativi)
Potenziamento
sinaptico
Nuovi siti
sinaptici
Crescita di nuove
connessioni

Le modificazioni dell’efficacia sinaptica, per
consolidarsi e mantenersi stabili nel tempo
(modifiche a lungo termine) necessitano della
trascrizione genica e della sintesi di nuove
proteine

L’attività neuronale (=esperienza) modifica l’espressione genica
I secondi
messaggeri
accoppiano gli
ingressi
neuronali
all’espressione
genica: le
esperienze si
traducono in
alterazioni
biochimiche e
strutturali dei
neuroni

Da qui 11 marzo 2008

L’accoppiamento attività neuronale – espressione
genica è presente anche per la trasmissione sinaptica
diretta ed è mediato dal calcio il quale può entrare nel
neurone o attraverso i recettori per il glutammato di
tipo NMDA oppure attraverso dei canali per il calcio
voltaggio-dipendenti che si aprono quando il recettore
non-NMDA depolarizza il neurone.
Il calcio lega diversi enzimi intracellulari (proteine
chinasi) che a loro volta possono traslocare al nucleo
e modulare l’azione dei complessi proteici che
determinano se un gene viene trascritto o meno.

I passi che conducono ad una modifica duratura dei
circuiti neurali in risposta all’esperienza
coinvolgono diversi fattori
Il recettore NMDA funge da detettore di attività correlata fra il terminale presinaptico ed il
terminale postsinaptico (blocco NMDA=non si induce plasticità)
Livelli di inibizione
Protein chinasi (ERK, PKA)
Fattori di trascrizione (CREB)
Rimodellamento della cromatina
Fattori neurotrofici (NGF, BDNF)
Neuromodulatori (Acetilcolina, Noradrenalina)
Componenti della matrice extracellulare e
proteasi che li degradano

a
Normal
Open and
closed eye
Electrical
activity
Axonal
terminals
Cortical neuron
otput
Cortical neuron
Dendritic spine
b c
Rapid,
functional
effects
Classical view Current view
MD
Slow
morphological
effects
Rapid
functional
AND
morphological
effects
at cortical level
Late rearrangement of
LGN axonal arbors
MD

O
• Percorso tipico dei primi giorni
del test, strategia di girare in torno
al bordo della vasca cercando una
via di fuga.
N
La memoria spaziale nei roditori
MORRIS WATER MAZE.
E
S
S
START START
O
N
• Percorso tipico degli ultimi giorni
del test
E

Latenza (sec)
Piattaforma
sommersa
60
50
40
30
20
10
0
La memoria spaziale nei roditori
Apprendimento Probe test
1 2 3 4 5 6 7 8 9
Giorni di allenamento
Tempo nel quadrante (sec)
30
25
20
15
10
5
0
NO NE SO SE

Per la memoria spaziale, si ritiene che cellule
specializzate, dette “place cells” dell’ippocampo
formino “campi di posizione” che corrispondono a
precise locazioni dell’individuo nello spazio,
determinando la memorizzazione di una mappa
spaziale.

Collaterali di
Schaffer
CA3
Via delle fibre
muscoidi
CA1
Giro dentato
Via perforante

Al sistema di tracciamento della
posizione dell’animale
Al sistema di registrazione
dell’attività neurale

La memoria spaziale è deficitaria in soggetti deficitari del recettore NMDA
nel campo CA1 dell’ippocampo
Soggetto normale Soggetto senza recettori NMDA nel CA1
Soggetti normali (a sinistra) imparano la posizione della piattaforma e, quando essa
viene rimossa nel probe test, alla fine dell’apprendimento, la cercano attivamente,
esplorando la posizione in cui si trovava, che era nel quadrante in alto a sinistra (la
linea tratteggiata indica il percorso compiuto dall’animale). Soggetti con delezione
del recettore NMDA nel campo CA1 invece non ricordano dove era la piattaforma e
cercano su tutta la superficie della piscina.

LTP ippocampale è assente in soggetti deficitari del
recettore NMDA nel campo CA1 dell’ippocampo
EPSP amplitude/EPSP baseline
4
2
1
tempo
Normale
KO
Linea base

Effetti di un deficit di recettori NMDA sulla formazione di una mappa
spaziale stabile
Esplorazione
Soggetto normale
Ri- esplorazione
I campi recettivi di place cells diverse, sviluppati durante 10 minuti di esplorazione il giorno prima in
un soggetto wild type, sono sempre presenti e stabili. Cellule con campi recettivi sovrapposti,
indicate dalla freccia, scaricano sincronicamente. L’animale ricorda di aver già visitato questo
ambiente e ne possiede una mappa spaziale.
Soggetto con delezione dei recettori NMDA nell’ippocampo
I campi recettivi di place cells diverse, sviluppati durante 10 minuti di esplorazione in soggetti con
delezione dei recettori NMDA nel campo CA1 dell’ippocampo sono più grandi del normale. Il giorno
dopo mostrano tracce di instabilità, ovvero si sono spostati. Cellule con campi recettivi sovrapposti,
indicate dalla freccia, NON scaricano sincronicamente. E’ come se l’animale entrasse in un ambiente
nuovo, mai visitato prima.

Arena di esplorazione
2
1
3
4
Fase 2: sonno a onde lente
Fase 1: esplorazione
2
3
1
2
3
1
4
4 Wilson e
McNaughton
1999)