NEUROBIOLOGIA MĂ-SII

Cursul 1
1
Celulele sistemului nervos
Sistemul nervos (SN) este alcatuit din doua tipuri principale de celule: neuronii si
nevrogliile (celulele gliale). Ambele joaca roluri esentiale in cadrul sistemului nervos. Insa
numai neuronii sunt capabili de a transmite mesajele dintr-o parte a SNC la alta sau in
afara sistemului si vice versa, de la organele de simt la SNC.
1. Neuronii
Neuronii sunt cea mai interesanta si intens studiata celula a organismului. Una din
caracteristicile lor primordiale este permanenta. Cu exceptia neuronilor olfactivi, neuronii
nu se divid si nu prolifereaza dupa “explozia” din timpul vietii embriologice. In schimb, in
multe cazuri, ei cresc enorm in dimensiuni. De asemenea, ei mor doar la varste inaintate si
in conditii neurodegenerative. Moartea celulara programata (apoptoza) joaca totusi un rol
important in timpul dezvoltarii SN.
Exista mai multe tipuri de neuroni: celule piramidale, stelate, Purkinje, Martenotti,
mitrale, granulare. Toate celulele poseda un centru metabolic (corpul celular cu nucleu,
perikarion) de la care pleaca unul sau mai multe prelungiri.
De la neuron pleaca doua tipuri de prelungiri: dendritele mici si ramificate si axonul
lung, neramificat (cu exceptia partii terminale).
Clasificarea structurala a neuronilor este bazata pe numarul de prelungiri (procese)
ce pleaca de la corpul celular (fig 1-1).
Fig. 1-1 : Clasificarea
neuronilor in functie de
numarul de prelungiri –
neuroni pseudounipolari, ce
sunt senzitivi si au o prelungire
ce se imparte in 2 ramificatii;
neuroni bipolari ce sunt
intalniti in retina si in cohlee;
neuroni multipolari, ce sunt
neuroni motori si prezinta un
axon si mai multe dendrite.
• Neuronii pseudounipolari au o singura prelungire scurta ce se ramifica in forma de
T pentru a forma o pereche de procese mai mari. Neuronii senzitivi sunt pseudounipolari –
una din prelungirile ramificate primeste stimuli senzitivi si produc impulsul nervos;
cealalta prelungire livreaza impulsul catre sinapse.
• Neuronii bipolari au 2 prelungiri, una la nivelul fiecarui capat; acest tip de neuron
este intalnit in retina.
• Neuronii multipolari au cateva dendrite si un singur axon ce pleaca de la corpul
celular; de exemplu neuronii motori (fig 1-2).
Cursul 1
2
Fig. 1-2 : Neuron multipolar
Exista 2 tipuri de neuroni motori :
􀂾 Neuronii motori somatici care sunt responsabili atat pentru controlul reflex cat si cel
voluntar al muschilor scheletici.
􀂾 Neuronii motori autonomi care inerveaza muschiul neted, muschiul cardiac si
glandele endocrine. Corpul celular ale neuronilor autonomi care inerveaza aceste organe
este localizat in afara SNC la nivelul unor ganglioni.
Neuronul senzitiv (aferent) conduce impulsurile de la receptori catre SNC.
O alta clasificare utila a neuronilor este in neuroni principali sau de proiectie si
interneuroni (de asociatie). Neuronii principali transmit mesaje in afara regiunii lor, in
timp ce interneuronii se interconecteaza strans cu cei din jur.
Neuronul multipolar este cel mai comun tip de neuron.
Neuronii sunt din punct de vedere fiziologic polarizati. Mesajele circula de la
dendrite spre corpul celular si de la acesta la axon.
La nivelul corpului cellular exista un nucleu mare, nucleoli bine dezvoltati, reticulul
endoplasmatic rugos bine dezvoltat, aparatul Golgi proeminent, mitocondrii abundente, in
timp ce lizozomii si peroxizomii sunt frecvent vizibili.
Cursul 1
3
Neuronii prezinta si un citoschelet bine dezvoltat. Microtubulii, neurotubulii,
neurofilamentele (filamentele intermediare) sunt toate prezente si joaca roluri vitale in
viata neuronilor.
La multi neuroni, in special cei multipolari, axonul (fibrele nervoase) pleaca dintr-o
parte conica a corpului celular. In multe cazuri, el este imbracat in teaca de mielina.
Mielina este formata din celule gliale si joaca un rol vital in determinarea conducerii
impulsului. Jonctiunile dintre celulele gliale constituie nodulii lui Ranvier. In partea lui
terminala axonul se ramifica intr-un numar mai mic sau mai mare de arborizatii terminale.
Aceste terminatii ale telodendriilor stabilesc un contact sinaptic cu alti neuroni sau daca
axonul este o fibra motorie ce iese din SNC, contactul este cu fibra musculara.
Un impuls odata initiat la nivelul segmentului initial, este transmis fara a scadea in
intensitate catre terminatiile telodendritice.
In partea terminala a axonului intalnim butonul sinaptic sau butonul terminal (fig. 1-
3). La ME putem observa mitocondrii si vezicule sinaptice.
Dendritele, in majoritatea neuronilor multipolari, au un diametru mai mare decat al
axonului. Spre deosebire insa de axon, sunt extreme de ramificate. Ele dezvolta adesea
protuberante mici cunoscute in mod curent ca spini. Aceste sunt locurile de contact
sinaptic. Dendritele nu sunt pasive sau inerte. Ca si axonul, prezinta o ultrastructura
complexa formata in principal din mirotubuli.
Fig. 1-3 : Butonul sinaptic
2. Nevrogliili
Celulele gliale prezinta capacitatea de a se multiplica intens dupa nastere. Aceasta
inseamna ca sunt capabile sa invadeze regiunile distruse (lezate) si sa inlature orice
material necrotic si duc astfel la formarea unei cicatrici gliale. Nevrogliile sunt singurele
elemente ale tesutului nervos care dau nastere tumorilor din SNC.
Putem identifica 4 tipuri de celule giale: astroglia/astrocitul,
oligodendroglia/oligodendrocitul, microglia si celulele ependimare (fig 1-4).
Astrocitele prezinta o serie de prelungiri ce pleaca de la un corp celular central mare
ce contine nucleul (fig. 1.5) Exista dovezi ca astrocitele sunt interconectate prin jonctiuni
gap ce le ajuta sa faca schimb de molecule si de ioni. Exista cazuri frecvente cand cateva
prelungiri astrogliale se termina la nivelul peretului endotelial al vaselor sanguine
cerebrale, in timp ce altele sunt strans legate de neuroni. Uneori piciorul astrocitelor
margineste celulele ependimare ce delimiteaza ventriculul cerebral. S-a sugerat in
Cursul 1
4
consecinta ca astrocitele sunt implicate in miscarea materialului dintre lichidul
cerebrospinal, sange si neuron.
Fig. 1-4 : Diferitele tipuri de celule gliale – tecile de mielina din jurul axonilor sunt
formate in SNC de catre oligodendrocite; astrocitele prezinta prelungiri care inconjoara
atat neuronul cat si capilarul; microglia prezinta capacitate fagocitica.
Fig. 1-5 : Celulele astrogliale – diagrama
schematica ce arata 2 astrocite (in negru).
Astrocitul de sus se intinde de la celulele
ependimare ce marginesc ventricului, pana la
corpul celular si dendritele unui neuron.
Astrocitul de jos se intinde de la pia mater pana
la un neuron.
Cursul 1
5
Un alt element important al astrocitelor este dezvoltarea de filamente in citoplasma.
Aceste filamente sunt dezvoltate mai mult in astrocitele din substanta alba decat cele din
substanta cenusie.
Aceste doua tipuri de astrocite sunt denumite in consecinta astrocite fibroase,
respectiv protoplasmatice (fig. 1-6). Aceste filamente ofera o anumita rezistenta la
tractiune si deoarece astrocitele sunt adesea legate ferm intre ele sau de neuroni prin
jonctiuni stranse, ele pot reprezenta un suport structural in tesutul nervos.
Fig. 1-6 : Astrocite fibroase (A) si protoplasmatice (B).
Astrocitele invadeaza regiunile lezate ale sistemului SNC si sunt responsabile de
formarea cicatricelor gliale. Exista dovezi ca astrocitele sunt capabile de sinteza si secretia
de neurotransmitatori. In dezvoltarea creierului acestia actioneaza ca factori de crestere. In
zona subventriculara a organismului adult, astrocitele pastreaza un potential proliferativ, si
au rolul de celule stem neurale.
Una din cele mai importante functii ale astrocitelor este totusi formarea si
mentinerea de sinapse in sistemul nervos central. Astrocitele secreta atat cholesterol, cat si
o lipoproteina numita apolipoproteina E (ApoE) in spatiul intercelular.
In concluzie, astrocitele prezinta urmatoarele functii:
􀂙 Astrocitele atrag K+ din lichidul extracelular. Deoarece K+ difuzeaza in afara
neuronilor in timpul producerii de impulsuri nervoase, aceasta functie este importanta
pentru mentinerea unui mediu ionic propice neuronilor.
􀂙 Astrocitele atrag neurotransmitatori eliberati din terminatiile axonale ale neuronilor.
De exemplu, neurotransmitatorul glutamat este captat de astrocite si transformat in
glutamina (fig. 1-7); glutamina este apoi eliberata catre neuronii ce o pot utiliza pentru a
forma din nou glutamat.
􀂙 Piciorul astrocitar ce inconjoara capilarul preia glucoza din sange. Apoi glucoza este
metabolizata in acid lactic ce este eliberat si folosit ca sursa de energie de catre
neuroni.Dupa care acidul lactic este metabolizat aerob in CO2 si H2O pentru producerea de
ATP.
􀂙 Astrocitele sunt necesare pentru formarea de sinapse in SNC (putine sinapse sunt
formate in lipsa astrocitelor).
􀂙 Astrocitele induc formarea barierei hemato-encefalice.
Cursul 1
6
Fig. 1-7 : Astrocitele prezinta prelungiri care se termina atat pe capilare cat si pe
neuroni.
Celulele oligodendrogliale (fig. 1-8) – aceste celule au prelungiri mai putine ce
pleaca de la corpul celular decat astrocitele, si corpul celular este mai mic in diametru (5
mm). Oligodendroglia difera de asemenea de astrocite prin faptul ca au foarte putine
microfilamente, dar au un numar mare de microtubuli in citoplasma. Aceste celule se
intalnesc atat in substanta alba cat si in cea cenusie.
Fig. 1-8 : Oligodendrocit –
celula prezinta 2 prelungiri,
care imbraca cate un axon
intr-o teaca de mielina.
Cursul 1
7
Astrocitele, oligodendrocitele si celulele ependimare sunt cunoscute si sub numele
de macroglii.
Celulele microgliale/microgliile – constituie a treia clasa majora de nevroglii, ce se
gasesc in sistemul nervos. Ele nu isi au originea in neuroectoderm, ci in maduva osoasa.
Corpurile lor celulare sunt mai mici decat ale celorlalte nevroglii (aproximativ 3μm in
diametru), insa sunt intr-un numar foarte mare. Ele au probabil numeroase functii, de
exemplu mentinerea mediului ionic din jurul neuronilor. Insa cel mai important rol in
cadrul sistemului nervos central il constituie capacitatea lor de a prolifera, de a deveni
macrofage si de a invada orice regiune lezata pentru a fagocita tesutul necrotic.
Organizarea sinapselor
In figura 1-9 se prezinta structura unei sinapse tipice in SNC. Capatul terminal al
unui axon se umfla pentru a forma un buton. Butonul contine numeroase vezicule mici (20
– 40 nm) ce contin neurotransmitatorii. Membrana presinaptica este separata de cea
postsinaptica printr-un spatiu de 30 – 40 nm. In mod caracteristic, membrana post
sinaptica apare mai densa si mai subtire la ME decat cea presinaptica. Transmisia
mesajului are loc intotdeauna intr-o singura directie: de la membrana presinaptica la cea
post sinaptica.
Fig. 1-9 : Sinapsa clasica
Cursul 1
8
Exista mai multe tipuri de sinapse (fig. 1-10). Majoritatea sinapselor sunt axodendritice
sau axo-somatice dar in ultimul timp au fost descoperite si alte aranjamente. De
exemplu sinapsele axo-axonale care sunt destul de comune. Acest aranjament permite ca
un neuron sa controleze activitatea sinaptica a altui neuron (fig. 1-11). Mai recent s-a
aratat ca dendritele constituie de asemenea sinapse. Sinapse dendro-dendritice exista in
bulbul olfactiv si retina.
Fig. 1-10 : (A) Diferite tipuri de sinapse; (B)
Sectiune transversala printr-un axon (ax) si 2
dendrite (de); in jur exista celule gliale; (C)
Sectiune transversala printr-un axon (ax) si 2
dendrite (de); cele 2 dendrite formeaza o
pereche reciproca, ele sunt aranjate intr-o bucla
de feedback negativa astfel excitarea celei de jos
produce stimularea celei de sus; (D) Sinapsa
reciproca realizata intre 2 dendrite (de); in cazul
acesta este un feedback pozitiv; excitarea celei
de jos re-excita pe cea de sus.
Organizarea neuronilor in SNC
In SNC exista 2 tipuri de substanta : substanta cenusie si substanta alba. Substanta
alba este alcatuita dintr-un numar enorm de fibre nervoase. Ele apar albe deoarece tecile
de mielina in care majoritatea fibrelor nervoase sunt imbracate reflecta lumina. Substanta
cenusie este constituita din dendritele si corpii celulari ai neuronilor si celulele gliale. Ele
nu sunt imbracate in mielina, de aceea apar cenusii.
Colorarea argintie a substantei cenusii prin tehnica Golgi-Cox arata o interconexune
stabila (fig. 1-12, 1-13). Aceasta tehnica coloreaza doar 1% din neuronii prezenti. Cortexul
privit la ME arata mase de celule impachetate dens si prelungiri celulare cu un spatiu
celular mic.
Cel mai evident element al neurocortexului cand este privit la MO este totusi
structura sa stratificata – fig 1-13. Au fost descoperite 6 straturi. Stratul al 4-lea este la
randul lui impartit in mod conventional in alte 3 straturi – a, b si c.
Cursul 1
9
Fig. 1-11 : Alte tipuri de sinapse
(A) Sinapse axo-axonale; (B) Sinapse
dendro-dendritice; (C) Sinapse perikarioperikarionale.
Fig. 1-12 : Structura substantei cenusii – (A) Sectiune
a cortexului cerebral colorata in argintiu (x300); se
poate observa un neuron piramidal in partea dreapta a
imaginii, si 3 dendrite ventricale la stanga ei; (B)
Imagine la ME a nucleului oculomotor (x52000); in
partea din dreapta a imaginii este o dendrita (DEN)de
la care pleaca un spin (SP); butonii sinaptici umpluti cu
vezicule inconjoara spinul si dendrite; m=mitocondrie,
cv=vezicula citoplasmatica
Cursul 1
10
Fig. 1-13 : Stratificarea cortexului
cerebral – (A) Neuronii corticali
colorati prin tehnica Golgi-Cox
(x100); figura arata ca axonii se
termina in ramificatii complexe in
straturile IVa si IVc; aceste
ramificatii au360-450μm in diametru
; (B) aceasta figura arata ca
majoritatea axonilor (ax) celulelor
piramidale (py) din straturile II si III
ies din cortex pentru a intra in
substanta alba subcorticala si apoi sa
reintre in cortex prin alt loc; axonii
celulelor piramidale din straturile V
si VI ies totusi catre nucleii
subcorticali.
11
Neuronul – o celula secretorie
2.1. Neuronii si produsii de secretie
Neuronul sintetizeaza diferiti neurotransmitatori si neuromodulatori. El este astfel
o celula specializata cu functie secretorie. Membrana secretorie (membrana
presinaptica) poate fi la o distanta de peste 1 m de locul unde are loc secretia.
Conexiunea dintre doua regiuni este realizata desigur de catre axon. Axonul trebuie sa
asigure pasajul produsilor de secretie de la nucleu catre butonul sinaptic, unde vor fi
eliberati. Mai mult, transportul nu se realizeaza intr-o singura directie.
Cativa neuroni si-au dezvoltat functia de secretie nu pentru a o elibera in fanta
finaptica, ci direct in sistemul vascular. Aceste celule sunt cunoscute ca celule
neurosecretorii (fig. 2-1). Asemenea celule sunt intalnite in hipotalamus si glanda
pituitara. In momentul de fata, exista un interes major in difuzia neurotransmitatorilor,
in special a particulelor mici in spatiul intercelular.
2.2.
S-a demonstrat ca daca nucleoproteina SRP ramane atasata la secventa semnal,
translatia nu mai are loc. Totusi, in mod normal, odata ce ribozomul se ancoreaza la
membrana, SRP este inlaturat pentru a fi reciclat. Acest lucru permite ca secventele
semnal de AA, ce sunt in general hidrofobi, sa se ataseze la un complex proteic mare al
membranei RE cunoscut drept translocon. Transloconul are un por central hidrofobic
care este de obicei inchis, dar care este deschis de secventa semnal. Ribozomul este
pozitionat deasupra porului de catre lantul polipeptidic, in timp ce capatul sau Nterminal
patrunde prin por in lumenul RE. Polipeptidul este astfel sintetizat si inserat in
lumenul RE in acelasi timp. Nu este expus deloc in citosol si nu se impacheteaza decat
Sinteza in corpul celular
Mesajul genetic pastrat in structura ADN-ului este transcris in ARNm si apoi
translatat in robozomi in secventele specifice de aminoacizi (AA) ce alcatuiesc
proteinele. Acest proces este foarte complex. El implica multe tipuri de enzime si acizii
ribonucleici ARNt, ARNr, si ARNm. In celulele secretorii, proteina trebuie sa fie
impachetata si transportata pana la locul unde este eliberata.
Corpul celular al celulelor nervoase implicate in biosinteza proteinelor prezinta
un nucleu mare cu unul/mai multi nucleoli. Citoplasma este bogata in RE rugos si
prezinta intotdeauna un aparat Golgi (fig. 2-2).
2.2.1. Insertia co-translationala
Lantul polipeptidic elaborat de catre ribozomi este inserat direct in lumenul RE.
Insa nu toate proteinele pe care le fabrica un neuron sunt destinate exportului. Cateva
dintre ele sunt pastrate pentru activitati “gospodaresti” ale nucleului.
Primii 30 AA din lantul polipeptidic ce se formeaza din ribozom, alcatuiesc o
secventa semnal ce este recunoscuta de catre o “particula de recunoastere a semnalului”
(signal recognition particle – SRP) (fig. 2-3). Aceasta particula prezinta doua functii. In
primul rand previne orice translatie ulterioara, asigurand celula ca proteina de export nu
este pur si simplu abandonata in citoplasma. In al doilea rand, secventa semnal este
recunoscuta de un “receptor al particulei de recunoastere al semnalului” sau “docking
protein” (DP) din membrana RE.
12
atunci cand este in RE. Intregul proces este denumit insertie co-translationala. In final,
secventa semnal N-terminala este taiata de catre enzime cand intalneste un semnal de
oprire (UAA) pe ARNm, apoi se disociaza si este reciclata (fig. 2-4).
Exista 2 modalitati posibile de terminare a acestui proces de co-translatie (fig. 2-
5). Intr-unul din cazuri, polipeptidul este secretat complet in lumenul RE. Acesta este
cazul proteinelor destinate exportului – neurotransmitatori. In al 2-lea caz, polipeptidul
nu patrunde deloc in lumenul RE. Acesta este cazul proteinelor care intra in alcatuirea
membranei plasmatice (neurilema).
2.2.2. Aparatul Golgi si modificarile post-translationale
Primii pasi in procesul post-translational au loc in lumenul RE. Aici apar legaturi
disulfurice intre rezidurile de cisteina si este initiata glicozilarea.
Pasii initiali ai glicozilarii se numesc glicozilare centrala (core glycosylation)
pentru a o diferi de modificarile de final din aparatul Golgi (fig. 2-6). Aceste etape
implica frecvent adaugarea unei oligozaharide catre capatul aminic al asparaginazei.
Aceasta oligozaharida prezinta intotdeauna 2 unitati de monozaharide acetilate – Nacetilglucozamina
(NAG) si un numar de unitati de manoza si glucoza.
Etapa urmatoare a procesului post-translational are loc in aparatul Golgi. Celulele
active in sinteza de proteine pentru export au de obicei un numar mare de complexe
Golgi. Acest proces are loc si in cazul multor neuroni. Figura 2-7 prezinta structura
complexa a aparatului Golgi. El prezinta numeroase cisterne sau saci membranosi.
Acesti saci se formeaza la nivelul uneia din fete – cis, prin fuziunea veziculelor ce
inmuguresc din RE si apoi se desprind de la nivelul celeilalte fete – trans, pentru a
constitui veziculele secretorii. Astfel se poate spune ca aparatul Golgi prezinta o fata cis
(de formare) si o fata trans (de maturare).
Veziculele de transport si cele secretorii prezinta un element comun. Ele sunt
inconjurate de molecule de clatrina. Fiecare molecula prezinta o structura cu 3 brate =
trischelion (160kDa)(fig. 2-8). Un anumit numar de trischelioni se aduna in jurul unei
membrane lipoproteice a unei vezicule si cu ajutorul catorva proteine mici mentin
vezicula „invelita”. Clatrina se poate asambla si dezasambla foarte usor.
Odata ce veziculele de transport provenite din RE au fuzionat cu fata cis a
aparatului Golgi, proteinele pe care le contin sufera mai departe procesul cotranslational
(fig. 2-6). Sacii aparatului Golgi contin multe enzime ce continua procesul
de glicozilare = glicozilare terminala. Alte enzime adauga un semnal, probabil prin
fosforilare sau printr-o glicozilare speciala, ce serveste proteinei pentru a ajunge la
destinatia corecta. In final, aparatul Golgi are rolul important de a impacheta proteinele
destinate pentru export.
Astfel, proteinele sunt sintetizate, impachetate si pregatite pentru export (fig. 2-9).
2.3. Transportul de-a lungul axonului
Veziculele secretorii ce pleaca de pe fata trans a aparatului Golgi trebuie sa se
deplaseze in continuare.
Exista 2 sisteme de transport distincte: unul functioneaza rapid pentru a transporta
produsii de secretie de la corpul celular catre capatul sinaptic (anterograd), iar celalalt
sistem functioneaza lent in directie inversa (retrograd).
13
Transportul rapid axoplasmic este responsabil de deplasarea mitocondriilor si a
veziculelor secretorii. Aceste vezicule contin neurotransmitatori si modulatori,
glicoproteine si enzime necesare metabolismului. Sistemul lent este implicat in
transportul elementelor citoscheletului (tubulina, actina, neurofilamente). Sistemul
retrograd transporta materiale uzate, factori neurotrofici (NGF).
Exista 3 tipuri majore de fibre citoscheletice – microfilamentele (cu un diametru
de 8nm), filamentele intermediare (Ifs) (7-11nm) si microtubulii (25nm). Toate aceste 3
tipuri de fibre sunt intalnite in neuroni, in special in axon.
2.3.1. Microfilamentele
Sunt alcatuite in principal din actina. Actina este desigur intalnita si in muschi,
unde este implicata in mecanismul de contractie. Fibrele de actina (F-actina) sunt
alcatuite din subunitati globulare (G-actina). Doua subunitati de F-actina sunt rasucite
una in jurul celeilalte pentru a forma o „franghie” (fig. 2-10).
2.3.2. Filamentele intermediare
Spre deosebire de microfilamente sau microtubuli, filamentele intermediare sunt
d.p.d.v biochimic extrem de heterogene. Exista 5 clase majore de filamente
intermediare, fiecare clasa fiind intalnita intr-un anumit tip de celula. In sistemul nervos,
celulele gliale contin filamente gliale (o singura proteina cu 51kDa), in timp ce neuronii
prezinta NF-L (63kDa), NF-M (169kDa) si NF-H (200kDa) (cu greutate moleculara
joasa, medie si inalta).
Chiar daca filamentele intermediare sunt extrem de variate, ele prezinta un
domeniu central de 310 AA (fig. 2-11). Acest domeniu prezinta 2α -helixuri rasucite
unul in jurul celuilalt. Catre fiecare capat al domeniului exista 2 regiuni hipervariabile –
„capul” si „coada”.
2.3.3. Microtubulii (MTs)
Microtubulii sunt alcatuiti din tubulina. Precum actina, tubulina prezinta
subunitati globulare. Insa subunitatile tubulinice nu se aseamana intre ele si sunt de
doua feluri:α si β tubulina; fiecare subunitate (monomer) preaz i3n t domenii.
Subunitatile α si β se asociaza pentru a forma dimerii si acestia se unesc cap la cap
pentru a forma protofilamentul. In final 13 protofilamente se aliniaza paralel si in cerc
pentru a forma un tub. (fig. 2-12). Tubul este polarizat: prezinta un cap (+) si o coada (-
). Polimerizarea are loc prin adaugarea de noi subunitati la capatul (+). In axon,
microtubulii sunt aliniati astfel incat capatul (-) este indreptat catre corpul celular. In
dendrite totusi, sunt aranjati in ambele directii.
Polimerizarea necesita un anumit numar de factori accesori si GTP. Doi din cei
mai importanti factori sunt proteinele accesorii microtubulului (MAPs) si proteinele tau.
Acestea sunt implicate atat in procesul de polimerizare, cat si in stabilizarea tubului.
2.3.4. Citoscheletul axonal
Sistemele in vitro au permis izolarea si analiza a doua clase de proteine motorii:
kinezinele si dineinele citoplasmatice.
14
Kinezina
Kinezinele (KIFs) sunt de asemenea prezente si in alte celule, unde sunt implicate
in transportul veziculelor si materialelor de la o celula la alta si in formarea fusului in
timpul diviziunii celulare. Ele prezinta 2 domenii globulare mari ce au activitate ATPazica,
conectate la un complex de transport. (fig. 2-13A). Kinezinele sunt proteine
motorii asociate microtubulilor: KIF1A, KIF1B, KIF2, etc.
Dineina citoplasmatica
Dineinele citoplasmatice sunt strans legate de dineinele din cili si flageli. Ca si
kinezinele, ele sunt implicate in formarea de fusului in timpul diviziunii celulare si de
asemenea prezinta doua domenii globulare mari. Ele sunt totusi molecule foarte mari si
mai putin variate. Cele doua domenii globulare contin fiecare 4 situsuri de legare a ATP
si furnizeaza energia pentru miscarea de-a lungul microtubulilor.
Transportul
Dineinele citoplasmatice si kinezinele sunt implicate in transport in cadrul
celulelor eukariote, precum si in miscarea din timpul diviziunii celulare mitotice si
meiotice. Ambele proteine motorii sunt ATP-aze dependente de microtubuli, activitatea
lor fiind localizata la nivelul celor 2 capete globulare (fig. 2-13). Capetele lor se
ataseaza la un microtubul, iar coada lor se ataseaza la veziculele translocate.
Veziculele imbracate in kinezina si dineina citoplasmatica se misca de-a lungul
microtubulului urmand niste linii de ghidare. S-a demonstrat ca veziculele invelite in
kinezina se misca catre capatul (+) al microtubulului (anterograd), cele invelite in
dineina citoplasmatica se misca catre capatul (-) (retrograd) (fig. 2-14).
Atasarea veziculelor
Capatul complexului kinezina-dineina citoplasmatica este de o importanta
deosebita. Deoarece cele 2 proteine motorii se misca in directii opuse de-a lungul
microtubulului, capatul complexului trebuie sa se ataseze de incarcatura (cargo)
potrivita. Intradevar, dineina citoplasmatica trebuie sa fie transportata mai intai intr-o
forma inactiva de catre kinezina catre capatul terminal al axonului si apoi sa isi preia
incarcatura de material folosit (uzat), si NGF pentru transportul catre corpul celular.
Au fost identificate 2 proteine ce fac legatura intre elementele membranare si
lanturile usoare de kinezina. Acestea sunt denumite intr-un mod hazliu „conducatorul de
duminica” („Sunday driver”)(Syd) si proteina precursorului amiloid (APP). Ambele
proteine au un rol important in atasarea cargoului impachetat inauntrul veziculelor
membranoase la kinezina.
Dineina citoplasmatica este o molecula mult mai mare si se presupune ca isi
ataseaza incarcatura printr-un numar de legaturi polipeptidice in lanturile ei usoare.
Dupa zile sau chiar saptamani, veziculele sinaptice ajung in sfarsit la destinatia
lor finala – butonul sinaptic. Acum asteapta scurtul lor moment de actiune. Acesta
depinde de potentialul de actiune. Cand acesta are loc, depolarizarea membranei
2.4. Exocitoza si endocitoza la capatul sinaptic
15
deschide canalele de Ca2+. Influxul de Ca2+ declanseaza eliberarea continutului veziculei
in fanta sinaptica.
Examinarea terminatiilor sinaptice la ME (microscopul electronic) arata ca ele
contin numeroase vezicule sinaptice. Aceste vezicule variaza in dimensiuni si forma, in
functie de continutul lor. Veziculele mici, sferice contin acetilcolina, glutamat, etc. Alte
vezicule mici au o forma elipsoidala si contin neurotransmitatori inhibitori cum ar fi
glicina. Veziculele mai mari contin catecolamine, in timp ce veziculele si mai mari
contin peptide.
In figura 2-15 este prezentata o jonctiune neuromusculara. Aceasta foloseste
acetilcolina drept neurotransmitator.
Fig. 2-15C arata o imagine de ME a unei jonctiuni neuromusculare de broasca. Se
observa foarte usor veziculele. Fiecare dintre ele contin 5000-10000 molecule de
acetilcolina; la nivelul terminatiei presinaptice pot exista mai mult de 1 milion de
vezucule. Axoplasma din spatele veziculelor contine acumulari dense de elemente
citoscheletice. Acest lucru este denumit reteaua presinaptica.
Veziculele se ciocnesc continuu de membrana presinaptica si isi elibereaza
continutul in fanta sinaptica. Aceste pachete de 5000-10000 molecule de acetilcolina
reprezinta un „cuantum”. Ele cauzeaza o depolarizare mica in membrana subsinaptica.
Totusi majoritatea veziculelor fuzioneaza cu membrana presinaptica si isi elibereaza
continutul doar atunci cand terminalul presinaptic este depolarizat de un potential de
actiune.
In figura 2-16 se prezinta membrana presinaptica a unei jonctiuni neuromusculere
pe sectiuni inghetate.
2.4.1. Adunarea veziculelor
Am vazut mai devreme ca atunci cand veziculele au fost impachetate in
pericarion, ele au fost apoi invelite de catre clatrina. Se pare ca anumite vezicule sunt
atasate de bratele kinezinei prin intermediul clatrinei. Clatrina nu este desigur specifica
neuronului, ea se intalneste in majoritatea celulelor secretorii. O alta proteina este totusi
specifica neuronului. Aceasta este synapsina 1. Aceasta proteina formeaza un invelis
proteic mai ales in cazul veziculelor mici (fig. 2-17).
2.4.2. Ca2+
Calciul liber este in cantitati foarte mici in celule. Astfel, orice influx de Ca2+
din exterior poate avea un efect dramatic. Unul din aceste efecte este activarea catorva
kinaze. Doua dintre aceste kinaze dependente de Ca2+ - protein kinaza A (PKA) si
protein kinaza 2 dependenta de Ca2+- calmodulina, fosforileaza synapsina 1 (fig. 2-18).
Secventa reactiilor biochimice determina influxul de Ca2+ in butonul presinaptic,
ceea ce duce la eliberarea veziculelor cu synapsina.
2.4.3. Andocarea veziculelor
Proteine de fuziune specifice sunt necesare pentru a uni membrana veziculelor
sinaptice cu membrana presinaptica.
Cateva tipuri de proteine prezinta un rol destul de complicat, insa coordonat. Cele
mai evidente sunt proteinele SNARE.
16
La inceput acestea au fost clasificate in 2 grupe: vSNARE asociate cu veziculele
de secretie, si tSNARE asociate cu membranele tinta.
Pe langa proteinele SNARE, si alte proteine joaca roluri importante in cadrul
sinapsei. Aici putem include sinaptotagminele si sinaptofizinele din membrana
veziculei; neurexina si canalele de Ca, de pe fata P a membranei presinaptice. In plus,
cateva proteine non-membranare joaca roluri esentiale: n-sec1, rab3A, α-SNAP. Acest
complex este prezentat in figura 2-18B.
Nu trebuie uitat ca semnalul pentru asamblarea tuturor factorilor este sosirea
potentialului de actiune si in consecinta deschiderea canalelor de Ca. Exista dovezi ca
sinaptotagmina functioneaza ca un senzor al Ca2+.
Sinaptofizina, dupa cum se observa in figura 2-18A, este o proteina cu 4 pasaje
transmembranare (4TM) si poate forma un por ionic. Cand se formeaza complexul de
fuziune (fig. 2-18B), porul sinaptofizinei se poate alinia cu canalele gemene (fizofilina)
in membrana presinaptica.
Proteinele vSNARE si tSNARE sunt foarte importante pentru fuziunea
veziculelor cu membrana presinaptica. Ele formeaza un complex de legatura. Proteinele
non-membranare sunt de asemenea esentiale, de exemplu Rab3A este un membru al
superfamiliei ras a GTP-azelor care joaca un rol important in pregatirea fuziunii
veziculelor cu membrana presinaptica. Rab3A se ataseaza la complexul de legatura si
daca ramane stabil o anumita perioada de timp pentru a hidroliza GTP-ul, blocheaza
complexul in aceasta pozitie.
NSF si α -SNAP sunt necesare pentru a finaliza procesul de fuziune. N-sec1 este
necesara in etapele initiale ale reactiei. Disocierea ei de sintaxina permite
sinaptobrevinei (o proteina vSNARE) sa se lege de sintaxina si SNAP25 (tSNARE).
2.4.4. Eliberarea neurotransmitatorilor
Daca in loc de jonctiunea neuromusculara am analiza o sinapsa tipica, am observa
ca veziculele sunt ordonate de catre o retea presinaptica. Aceasta retea este formata de
proiectii dense care apar din membrana presinaptica si se indreapta catre interiorul
sinapsei (fig. 2-19). Aceste proiectii sunt legate impreuna de filamente fine si formeaza
o retea ordonata pe fata P a membranei presinaptice. Desenul pare sa fie hexagonal.
Sase spatii triunghiulare inconjoara fiecare proiectie si acestea sunt probabil ariile
membranare specializate pentru atasarea veziculelor sinaptice.
Deoarece eliberarea neurotransmitatorului din veziculele mici este foarte rapida
(aproximativ 200μs dupa influxul de Ca) se poate spune ca veziculele sunt deja in
contact cu membrana (langa canalele de Ca), cand soseste potentialul de actiune; astfel
nu ar fi timp suficient pentru ca vezicule sa se mute din locurile de atasare la
citoschelet.
Se poate spune in concluzie ca exista doua populatii de vezicule mici: un grup ce
se poate elibera pentru ca este deja in contact cu fata P a membranei presinaptice si un
grup de rezerva atasat prin sinapsina la citoschelet.
Eliberarea continutului veziculei se realizeaza prin exocitoza.
17
2.4.5. Disocierea complexului de fuziune si recuperarea si reconstructia
membranei veziculare
Se stie ca NSF sαi -SNAP sunt necesare pentru a forma complexul SNARE.
Acest complex se formeaza intre 2 membrane diferite (veziculare si presinaptice).
Acesta este denumit complexul trans. Dar odata ce membranele au fuzionat, complexul
SNARE este prezent intr-o singura membrana, in pozitia cis. In aceasta pozitie, NSF si
α-SNAP in loc sa asambleze complexul, il dezasambleaza. Proteinele complexului sunt
eliberate si sunt gata pentru a forma un alt complex ca raspuns la un nou influx de Ca2+.
De indata ce vezicula este indepartata de membrana presinaptica, se poate recicla
(fig. 2-20B) sau poate fuziona cu un endozom din cadrul terminatiei presinaptice (fig. 2-
20A). Aici componentele membranei sunt reasamblate si noi vezicule apar prin
inmugurire. Mai exista o ipoteza – „kiss and go” – in care vezicula nu isi pierde
niciodata integritatea si este umpluta cu neurotransmitatori si apoi refolosita (fig. 2-
20C).
2.4.6. Realimentarea veziculelor
Daca vezicula contine neurotransmitatori mici, ea este umpluta chiar din aceasta
regiune terminala. In alte cazuri, cand neurotransmitatorul nu este sintetizat aici, ci in
corpul celular, vezicula este transportata de-a lungul axonului prin intermediul
sistemului retrograd. Aceste vezicule de obicei fuzioneaza pentru a forma un corp
multivezicular.
Acest mecanism este exemplificat in figura 2-21.
2.4.7. Finalizarea eliberarii neurotransmitatorilor
Eliberarea lor se incheie prin inlaturarea ionilor de Ca. Exista mai multe
mecanisme de inlaturare a acestora: sechestrarea in mitocondrii, in cisternele RE si
probabil cel mai important prin calmodulina.
De indata ce Ca2+
este indepartat, semnalul de eliberare a transmitatorilor dispare.
Potentialul sinaptic revine la starea lui initiala.
Fig. 2-1 : Neuronul – celula secretorie –
(A) Neuron tipic; transmitatorul este
eliberat in fanta sinaptica; (B) Celula
tipica neurosecretorie; neurosecretie este
eliminata intr-un vas sanguin.
18
Fig. 2-2 : Corpul celular
al unui neuron cortical
(ME).
Fig. 2-3 : Ancorarea ribozomului
la reticulul endoplasmatic (RE) –
(A) Ribozomul se ataseaza la
capatul 3’ al ARNm si atunci
cand intalneste secventa de start
AUG incepe translatia; secventa
initiala de AA se numeste
secventa semnal; (B) Secventa
semnal este recunoscuta de o
proteina de recunoastere a
semnalului (SRP) ce se ataseaza
la ea si la ribozom; (C) SRP este
recunoscut de catre o proteina
(„docking protein”)(DP) din
membrana RE; translocatia
continua la nivelul ribozomului si
lantul polipeptidic trece in
lumenul RE.
19
Fig. 2-4 : Insertia co-translationala a
polipeptidului in RE – (A) Lantul
polipeptidic este sintetizat la nivelul
ribozomului si inserat in lumenul RE si
apoi secventa semnal este inlaturata. (B)
Cand se ajunge la secventa stop (UAA)
tranlsatia inceteaza si cele 2 parti ale
ribozomului se separa pentru a fi
reciclate.
Fig. 2-5 : Doua rezultate ale
procesului de co-translatie; (A) -
polipeptidul este in intregime in
lumenul RE; (B) – segmente
hidrofobice ale polipeptidului
asigura prinderea sa in membrana
RE.
20
Fig. 2-6 : Glicozilarea in RE
si aparatul Golgi – Nglicozilarea;
pasul initial este
transferul unui oligozaharid
catre rezidul de asparaginaza ;
Fig. 2-7 : Structura aparatului Golgi –
Corpul celular al neuronilor contine
numeroase aparate Golgi. Fluxul este de
la RE prin veziculele de transport catre
fata cis a aparatului Golgi; veziculele
fetei cis formeaza o sacula si se muta
catre fata trans; in final veziculele
inmuguresc si se elimina de pe aceasta
fata.
21
Fig. 2-8 : Trischelionul – (A)
trischelion de clatrina; (B)
trischelioanele de clatrina se
asambleaza spontan pentru a forma
hexagoane si pentagoane; (C)
Imagine la ME; (D) 36 trischelioni
organizati intr-o retea de 12
pentagoane si 8 hexagoane formeaza
o „patura” ce inconjoara veziculele.
Fig. 2-9 : Diagrama caii de
export a proteinelor.
22
Fig. 2-10 : Structura microfilamentelor.
Fig. 2-11 : Structura filamentelor intermediare si a neurofilamentelor – (A) IF – 2 α-
helixuri rasucite unul in jurul celuilalt; fiecare segment se termina intr-o regiune
variabila; (B) capetele si cozile variabile tind sa se uneasca, formand un fascicul; (C)
neurofilamente observate la ME (sagetile indica neurofilamentele).
23
Fig. 2-12 : Structura moleculara a tubulinei – (A) structura moleculara a microtubulilor;
tubul prezinta 13 randuri longitudinale de unitati α si β; aceste randuri sunt denumite
protofilamente; (B) in prezenta GTP, heterodimeri α si β sunt adaugati la capatul (+) si
sunt inlaturati la cel (-); incorporarea unui radioizotop ne permite vizualizarea unei pete
negre ce se misca de-a lungul microtubulului.
Fig. 2-13 : Structura kinezinei si dineinei
citoplasmatice (A) kinezina; (B) dineina
citoplasmatica – este o molecula mult mai mare
decat kinezina cu o structura mult mai complexa;
DHC=dynein heavy chain; DIC=dynein intermediate
chain; DLC=dynein light chain.
24
Fig. 2-14 : Transportul axoplasmic (schematic) – (A) (i) veziculele invelite in kinezina
si dineina se misca de-a lungul microtubulilor in directie anterograda si retrograda; (ii)
kinezina ce porta o dineina inactivata; (B) Diagrama schematica ce arata vezicule
secretorii continand neurotransmitatori sau componente membranare ce se misca in
directie anterograda; alte materiale, probabil membrane folosite se misca catre corpul
celular in principal sub forma ce corpi multiveziculari; acestia isi varsa continutul in
lizozomii corpului celular pentru digestia ulterioara; (C) legaturi incrucisate realizate de
dineina / kinezina.
25
Fig. 2-15 : Jonctiunea neuromusculara
(A) Fibre nervoase motorii inerveaza un
grup mic de fibre musculare (unitate
motorie); (B) o portiune din unitatea
motorie; (C) jonctiune neuromusculara
observata la ME – fibra musculara este in
dreapta jos, se observa membrana bazala,
sarcolema fibrelor musculare.
Fig. 2-16 : Membrana presinaptica a
unei broaste – (A) Imagine la ME
arata o membrana la 3ms dupa ce
nervul a fost stimulat; (B) Membrana
presinaptica la 5ms dupa stimulare;
pete largi adiacente randurilor paralele
de vezicule sunt vizibile; ele reprezinta
locurile unde veziculele sinaptice au
fuzionat cu membrana si au eliminat
continutul; (C) Membrana la 50ms.
26
Fig. 2-17 : Atasarea veziculelor la
citoscheletul de fodrina.
Fig. 2-18 : Veziculele ajung
la nivelul membranei
presinaptice – (A) O
vezicula sinaptica este
atasata prin intermediul
sinapsinei la citoschelet; (B)
Ilustrare a complexului de
andocare (docking complex)
27
Fig. 2-19 : Organizarea unei retele
presinaptice in cadrul unei sinapse
centrale. Fiecare spatiu triunghiular
constituie un „loc de atasare a
veziculei”(VAS) unde veziculele
sinaptice pot veni si isi pot eliberea
continutul in fanta sinaptica.
dp=proiectii dense; mt=mitocondrii;
sv=vezicule sinaptice.
Fig. 2-20 : (A) Veziculele sinaptice
fuzioneaza cu membrana presinaptica
si isi elibereaza continutul in fanta
sinaptica; constituentii membranei
veziculare difuzeaza in membrana
presinaptica si sunt recunoscuti de
catre clatrina sau sinapsina 1; in
ambele cazuri, veziculele se formeaza
prin invaginare; moleclele de
dinamina comprima vezicula si o
inlatura din membrana presinaptica;
vezicule imbracate in sinapsina se
ataseaza la citoschelet, iar cele
imbracate in clatrina pierd clatrina si
fuzioneaza cu un endozom;
veziculele inmuguresc din endozom
si sunt umplute cu neurotransmitatori.
(B) Ciclul (A) dar fara pasajul prin
endozomi; (C) Ipoteza „kiss and go”
28
Fig. 2-21 : Umplerea veziculelor
sinaptice cu transmitatori specifici – o
pompa de protini inlatura H+ din
vezicula; gradientul creat este folosit
pentru a transport neurotransmitatorul
(NT) in vezicula.
Cursul 3
1
Neurotransmitatori si neuromodulatori
In capitolul precedent am descris cum produsii de secretie si alte molecule
au fost sintetizate in corpul celular al neuronului si transportate apoi pentru a fi
eliberate sau incorporate in capatul sinaptic. In acest capitol vom cauta natura
acestor molecule de secretie ce sunt eliberate in fanta sinaptica.
Aceste molecule pot fi impartite in 2 categorii: neurotransmitatori si
neuromodulatori. Diferenta dintre ele se face pe baza activitatii sinaptice.
Neurotransmitatorii au un efect direct asupra membranei postsinaptice, pe cand
neuromodulatorii “moduleaza” sau “regleaza” actiunea transmitatorilor.
Categorie Substanta
Amine Acetilcolina
Histamina
Serotonina
Catecolamine Dopamina
(Epinefrina—un hormon)
Norepinefrina
Amino acizi Acid aspartic
GABA (acid gama-aminobutiric)
Acid glutamic
Glicina
Polipeptide Glucagon
Insulina
Somatostatina
Substanta P
ACTH (hormon adrenocorticotrop)
Angiotensina II
Opioizi endogeni (enkefaline and endorfine)
LHRH (luteinizing hormone-releasing hormone)
TRH (thyrotrophin-releasing hormone)
Vasopresina (hormon antidiuretic)
CCK (colecistokinina)
Lipide Endocanabinoizi
Gase Oxidul nitric
Monoxidul de carbon
Criterii pentru neurotransmitatori
􀀹 Molecula trebuie sintetizata in cadrul neuronului de unde este
eliberata; enzimele si substantele necesare sintezei trebuie gasite in neuron.
􀀹 Molecula trebuie stocata in neuron de unde este eliberata.
􀀹 Stimularea presinaptica trebuie sa duca la eliberarea moleculei.
􀀹 Agentii care blocheaza raspunsul postsinaptic la stimularea
presinaptica ar trebuie de asemenea sa blocheze raspunsul la transmitatori
aplicati exogen.
Cursul 3
2
􀀹 Raspunsul postsinaptic la transmitator trebuie sa se termine rapid
atunci cand este aplicat exogen.
􀀹 Molecula suspecta trebuie sa se comporte identic cu transmitatorul
endogen in ceea ce priveste potentialul farmacologic, inhibitia si inactivarea sa.
Acetilcolina
Acetilcolina este sintetizata la capatul sinaptic din colina si acetat, ultimul
fiind un derivat din acetil coenzima A. Colina pe de alta parte este obtinuta
partial prin reabsorbtie din fanta sinaptica si partial din sange. Sinteza (dupa
cum este aratat in fig. 3-1) este catalizata de colin acetiltransferaza (CAT).
Fig. 3-1 – Sinteza acetilcolinei
Acetilcolina (Ach) este folosita drept un neurotransmitator excitator de
catre cativa neuroni din SNC si de catre neuronii motori somatici de la
jonctiunea neuromusculara. La terminatiile nervoase autonome, Ach poate fi fie
excitatorie fie inhibitorie, in functie de organul implicat.
Raspunsul variat al celulelor postsinaptice la aceeasi substanta poate fi
explicat partial prin faptul ca diferite celule postsinaptice prezinta deferite
subtipuri de receptori Ach. Aceste subtipuri de receptori pot fi stimulate specific
de catre anumite toxine, si sunt numite dupa aceste toxine.
Efectul stimulator al Ach asupra celulelor muschiului scheletic este
produs prin legarea Ach la receptorii nicotinici Ach, numiti asa deoarece ei pot
fi activati de catre nicotina. Efectele Ach asupra altor celule au loc cand Ach se
leaga de receptorii muscarinici Ach; aceste efecte pot fi produse de asemenea de
muscarina.
􀀹 Receptorii nicotinici (nAchRs) – acestia sunt intalniti in regiuni
specifice ale creierului, in ganglionii autonomi si in fibrele musulare scheletice.
Eliberarea Ach din neuronii motori somatici si legarea de receptorii nicotinici
stimuleaza contractia musculara.
􀀹 Receptorii muscarinici (mAchRs) – acestia sunt intalniti in
membrana plasmatica a celulelor musculare netede, celulelor musculare cardiace
si in celulele anumitor glande. Astfel, activarea receptorilor muscarinici prin
eliberarea Ach din axoni este necesara pentru reglarea sistemului cardiovascular,
digestiv, etc.
Cursul 3
3
Tabelul 3-1 – Receptorii acetilcolinici
Canale reglate din punct de vedere chimic
Legarea unui neurotransmitator la receptorul lui proteic poate duce la
deschiderea unui canal ionic prin 2 mecanisme diferite. Aceste 2 mecanisme pot
fi ilustrate prin actiunea Ach asupra receptorilor muscarinici si nicotinici ai Ach.
Canale dependente de ligand
Acesta este cel mai direct mecanism prin care se pot deschide portile unui
canal printr-un mecanism reglat chimic. In acest caz, canalul ionic strabate chiar
receptorul. Canalul ionic este deschis prin legarea receptorului la ligandul
neurotransmitatorului.
Fig. 3-2 – Receptorul
nicotinic Ach
functioneaza ca un canal
ionic. nAchR contine un
canal ce este inchis (a)
pana cand receptorul se
leaga de Ach. (b) Na+ si
K+ difuzeaza simultan in
directii opuse prin
canalul ionic deschis.
Acesta este si cazul Ach care se leaga la receptorul nicotinic. Receptorul
prezinta 5 subunitati polipeptidice care inchid canalul ionic. Doua dintre aceste
subunitati contin situsuri de legare ale Ach si canalul ionic se deschide cand
ambele situsuri se leaga la Ach. Deschiderea acestui canal permite difuziunea
simultana a Na+ si a K+ in celula postsinaptica si respectiv in afara ei. Efectele
influxului de Na+ predomina datorita gradientului electrichimic mai mare. Acest
Cursul 3
4
lucru produce depolarizarea unui potential postsinaptic excitator (excitatory
postsynaptic potential)(EPSP).
In tabelul 3-2 este prezentata o comparatie a EPSPs si a potentialelor de
actiune. Potentialele de actiune au loc in axoni, unde sunt localizate canalele
dependente de voltaj, in timp ce EPSP au loc in dendrite si in corpul celular.
Epre deosebire de potentialele de actiune, EPSP nu au un prag de actiune; Ach
eliberata de o singura vezicula sinaptica produce o descarcare mica a membranei
postinaptice. Cand mai multe vezicule sunt stimulate pentru a elibera Ach,
depolarizarea este mai mare. Cum EPSP pot fi treptate si nu au perioada
refractara, ele sunt capabile de sumatie.
Tabelul 3-2
Caracteristici Potentialul de actiune EPSP
Stimulul pentru
deschiderea canalului ionic
depolarizarea Ach
Efectul initial al stimulului Deschiderea canalelor de
Na+
Canalele comune ptr. Na+
si K+ se deschid
Cauza repolarizarii Deschiderea canalelor de
K+
Pierderea incarcaturilor
positive intracelulare
Feedback pozitiv intre
depolarizare si deschiderea
canalelor de Na+
Da Nu
Depolarizare maxima +40mV Aproape de 0
Perioada refractara Da Nu
Slabiciunea musculara in cadrul unei boli – miastenia gravis – se
datoreaza faptului ca receptorii Ach sunt blocati si distrusi de catre
anticorpi secretati de catre sistemul imun al persoanelor afectate.
Efectele anumitor toxice asupra transmisiei neuromusculare este
schitat in tabelul 3-3.
Toxicul Origine Efect
Toxina botulinica Produs de Clostridium
botulinum (bacteria)
Inhiba eliberarea Ach
Curara Resina dintr-un arbore Sud
American
Previne interactiunea Ach
cu receptorul postsinaptic
α-Bungarotoxin Alga (Gonyaulax)
Blocheaza canalele de Na+
dependente de voltaj
Saxitoxin
Blocheaza canalele de Na+
dependente de voltaj
Canale dependente de proteina G
Receptorii muscarinici Ach sunt formati dintr-o singura subunitate ce se
poate lega la o molecula de Ach. Spre deosebire de receptorii nicotinici, acesti
receptori nu contin canale ionice. Legarea Ach la receptorul muscarinic duce la
activarea unui complex de proteine din membrana celulara – proteine G –
numite asa deoarece activitatea lor este influentata de GDP sau GTP.
Cursul 3
5
Exista 3 subunitati ale proteinei G – α, β, si γ. Drept raspuns la legarea
Ach la receptorul sau, subunitatea α se disociaza de celelalte 2 subunitati. In
continuare, fie subunitatea α, fie complexul β-γ difizeaza apoi prin membrana
pana cand se leaga de un canal ionic, ducand astfel la deschiderea canalului (fig.
3-3). La putin timp dupa aceasta, subunitatea α (sau complexul β-γ) disociaza de
la canal si se intoarce la pozitia sa initiala. Acest lucru duce la inchiderea
canalului.
Fig. 3-3 – Receptorii muscarinici Ach necesita medierea prin proteine G.
Legarea Ach la receptorii muscarinici afecteaza indirect permeabilitatea
canalelor de K+. Acest lucru poate produce hiperpolarizarea in anumite organe
(cand canalele de K+ sunt deschise) si depolarizarea in alte organe (cand
canalele de K+ sunt inchise).
Acetilcolinesteraza (AchE)
Legatura dintre Ach si receptorul sau proteic exista doar pentru un timp
foarte scurt. Complexul Ach-receptor disociaza dar se poate forma din nou atata
timp cat Ach se gaseste in vecinatate. Pentru a opri activitatea celulelor
postsisinaptice, Ach libera trebuie inactivata foarte repede. Inactivarea Ach se
realizeaza de catre o enzima – acetilcolinesteraza (AchE), ce se gaseste in
membrana postsinaptica (fig. 3-4).
Exista mai multe cai de semnalizare a prezentei sinapselor colinergice in
creier. Acestea variaza de la tehnicile imunohistochimice ale lui Koelle si
Friedenwald pentru a determina prezenta enzimei acetilcolinesteraza la
inregistrarea electrica din celulele suspecte dupa eliberarea acetilcolinei.
Majoritatea corpilor celulari sunt localizati in nucleul bazal al lui Meynert,
nucleul lui Broca, nucleul preoptic. Axonii pleaca de la aceste regiuni bazale
pentru a inerva neocortexul si in special hipocampusul.
Cursul 3
6
Fig. 3-4 – Actiunea acetilcolinesterazei
Acetilcolina in sistemul nervos periferic (SNP)
Neuronii motori somatici formeaza sinapse cu celulele musculare
scheletice (fibrele musculare). La aceste sinapse sau jonctiuni neuromusculare,
membrana postsinaptica a fibrei musculare este cunoscuta drept placa motorie.
Depolarizarea deschide canalele dependente de voltaj care sunt in apropierea
placii motorii. Aceste canale produc potentiale de actiune in fibra musculara.
Daca una din aceste etape ale transmisiei neuromusculare este blocata,
poate apare slabiciunea musculara, chiar si paralizie si moarte.
Neuronii motori autonomi inerveaza muschiul cardiac, muschiul neted din
peretele vaselor si diferite organe si glande. Majoritatea axonilor parasimpatici
care inerveaza organe efectoare folosesc Ach drept neurotransmitator. In cateva
cazuri, acesti axoni au un efect inhibitor asupra organelor pe care le inerveaza
prin legarea Ach la receptorii muscarinici ai Ach.
Acetilcolina in sistemul nervos central (SNC)
Exista multi neuroni colinergici (ce folosesc Ach ca neurotransmitator) in
SNC, unde axonul face sinapsa fie cu dendritele fie cu corpul celular al altui
neuron. Dendritele si corpul celular servesc astfel drept o arie receptiva a
neuronului, si in aceste regiuni sunt localizate proteinele receptoare ale
neurotransmitatorului si canalele reglate chimic. Primele canale dependente de
voltaj sunt localizate intr-un segment mai proeminent al axonului. Segmentul
initial al axonului, ce este nemielinizat, prezinta o concentratie mare de canale
dependente de voltaj. Potentialele de actiune se produc mai intai aici.
Depolarizatia – EPSP – in dendrite si corpul celular se raspandeste la
segmentul initial al axonului pentru a stimula potentialele de actiune. Daca
Cursul 3
7
depolarizarea este la nivelul sau deasupra pragului de actiune in momentul cand
ajunge la segmentul initial al axonului, EPSP va stimula producerea de
potentiale de actiune, ce se pot regenera apoi de-a lungul axonului. Daca totusi
EPSP este sub pragul de actiune la nivelul segmentului initial, nu se vor produce
potentiale de actiune in celula postsinaptica (fig. 3-5). Potentialele de actiune ce
se produc in segmentul initial al axonului sunt conduse fara o scadere in
amplitudine catre capatul terminal al axonului.
Fig. 3-5 – Natura potentialelor excitatorii postsinaptice (EPSP)
Boala Alzheimer, cea mai frecventa cauza de dementa, apare de
obicei in jurul varstei de 40-50 ani, si produce o deteriorare
progresiva mentala. Leziunile nervoase ce apar sunt datorate unor
depozite dense extracelulare ale unor proteine insolubile – β amiloid.
Boala Alzheimer este asociata cu o pierdere a neuronilor colinergici
ce se termina in hipocampus si cortex cerebral. Tratamentul bolii
Alzheimer include in mod curent folosirea de inhibitori ai
colinesterazelor (AchE) si folosirea vitaminelor B si alti
antioxidanti.
Monoaminele
Moleculele reglatorii epinefrina, norepinefrina, dopamina si serotonina
fac parte din familia momoaminelor. Serotonina este derivata din aminoacidul
triptofan. Epinefrina, norepinefrina si dopamina sunt derivati din aminoacidul
tirozina si formeaza o subfamilie a monoaminelor numita catecolamine.
Epinefrina (numita de asemenea adrenalina) este un hormon secretat de glanda
adrenala, nu este un neurotransmitator, in timp ce norepinefrina functioneaza
atat ca un hormon cat si ca un neurotransmitator.
Ca si Ach, neurotransmitatorii monoaminici sunt eliberati prin exocitoza
din veziculele presinaptice, difuzeaza prin fata sinaptica si interactioneaza cu
Cursul 3
8
receptori proteici specifici din membrana postsinaptica. Efectul stimulator al
acestor monoamine trebuie rapid inhibat pentru a mentine un control neural
adecvat. Inhibitia actiunii monoaminelor se datoreaza
(1) reincarcarii monoaminelor in terminatiile nervoase presinaptice,
(2) degradarea enzimatica a momoaminelor in neuronul presinaptic de
catre MAO (monoaminoxidaza), si
(3) degradarea enzimatica a catecolaminelor in neuronul postsinaptic de
catre COMT (catecol-O-metiltransferaza).
Procesul este ilustrat in fig 3-6.
Inhibitorii MAO sunt medicamente ce blocheaza MAO, enzima din
terminatiile presinaptice ce scindeaza catecolaminele si serotonina
dupa ce au fost inlaturate din fanta sinaptica. Aceste medicamente
promoveaza astfel transmisia in sinapsele ce folosesc monoaminele
drept neurotrasnsmitatori. Astfel de medicamente s-au dovedit utile
in tratamentul depresiei, sugerand faptul ca o deficienta in
transmisia monoaminelor contribuie la aceste dereglari. Un
inhibitor MAO este de asemenea folosit in tratamentul bolii
Parkinson, deoarece sporeste capacitatea dopaminei de a functiona
ca un neurotransmitator.
Fig. 6 – Producerea, eliberarea si reacumularea catecolaminelor.
Fig. 3-6 – Producerea, eliberarea si reacumularea catecolaminelor.
Cursul 3
9
Transmitatorii monoaminici nu cauzeaza direct deschiderea canalelor
ionice in membrana postsinaptica. In schimb, acesti neurotransmitatori
actioneaza printr-un regulator intermediar cunoscut sub numele de mesager
secund. In cazul catorva sinpase ce folosesc catecolaminele pentru transmisia
sinaptica, acest mesager secund este adenozin monofosfat ciclic (AMPc).
Legarea norepinefrinei la receptorii sai in membrana postsinaptica
stimuleaza disocierea subunitatii α a proteinei G (fig. 3-7). Subunitatea
difuzeaza in membrana pana cand se leaga de o enzima numita adenilat ciclaza.
Aceasta enzima transforma ATP in AMPc si fosfat. AMPc activeaza alta enzima
– protein kinaza ce fosforileaza alte proteine. Prin acest mecansim, canalele
ionice se descid in membrana postsinaptica.
Fig. 3-7 – Actinea norepinefrinei necesita proteine G – legarea
norepinefrinei la receptor (1) duce la disocierea proteinei G (2). Legarea
subunitatii α a proteinei G la enzima adenilat ciclaza (3) activeaza aceasta
enzima, ducand la producerea de AMPc (4). AMPc activeaza protein kinaza (5),
ce poate deschide canalul ionic (6) si produce alte efecte.
SEROTONINA (=5-HYDROXITRIPTAMINA, 5-HT)
Fig. 3-8 arata faptul ca serotonina este sintetizata din triptofan trecand
printr-un intermediar 5-hidroxitriptofan. Sinteza necesita 2 enzime – triptofan
hidroxilaza si decarboxilaza amino acizilor aromatici.
Cursul 3
10
Fig. 3-8 – Sinteza
serotoninei din
triptofan.
Serotonina poate fi localizata in creier prin reactia tesutului cu vaporii de
formaldehida. Serotonina este convertita in 6-hidroxi-3,4 dihidrocarbolina care
la UV (λ=390nm) arata o fluorescenta puternica galben-verde. Reactia este
prezentata in figura 3-9.
Fig. 3-9 – Reactia
serotoninei cu vaporii
deformaldehida.
Serotonina este folosita ca neurotransmitator de neuroni ai caror corp
celular este localizat intr-o anumita regiune a formatiunii reticulate. Functiile
fiziologice atribuite serotoninei includ reglarea starii de spirit,
comportamentului, apetitului si circulatiei cerebrale. Odata cu aparitia LSD (un
halucinogen puternic) ce mimeaza structura si astfel probabil si functia
serotoninei, oamenii de stiinta au suspectat ca serotonina este implicata in
controlul starii de spirit si emotiilor. Aceasta suspiciune este confirmata de
actiunea medicamentelor antidepresive Prozac, Paxil, Zoloft si Luvox ce
actioneaza ca inhibitori specifici ai reacumularii serotoninei (serotonin
specificreuptake inhibitors) (SSRIs). Prin blocarea reacumularii serotoninei in
terminatiile sinaptice aceste medicamente au fost dovedite eficiente in
tratamentul depresiei.
Cursul 3
11
Functiile diverse ale serotoninei sunt legate de faptul ca exista un numar
mare de receptori serotoninergici: 5-HT1, 5-HT2, 5-HT3, 5-HT4, 5-HT5, 5-HT6
and 5-HT7. Aceste clase au fost divizate in continuare in subclase dupa cum
arata si in tabelul 3-4.
Receptorii 5-HT1 sunt de obicei localizati in membrana presinaptica. Ei
sunt cuplati cu o proteina G ducand la scaderea activitatii adenilat ciclazei.
Activarea sistemului de catre 5-HT duce la inhibitia presinaptica. In schimb,
receptorii 5-HT2 sunt localizati postsinaptic si chiar daca ei sunt intr-un mod
similar cuplati cu o proteina G, activarea prin 5-HT duce la depolarizarea si
astfel excitabilitatea celulei subsinptice.
DOPAMINA (DA)
Neuronii care folosesc dopamina drept neurotransitator sunt numiti
neuroni dopaminergici. Neuronii care au receptori dopaminergici pe membrana
lor postsinaptica au fost identificati in tesutul nervos postmortem. Mai recent,
localizarea acestor receptori a fost observata in creierul viu folosind tehnica
tomografica de emisie a unor particule pozitive.
Corpurile celulare ale neuronilor dopaminergici sunt foarte frecvente in
sistemul nervos. Axonii lor se proiecteaza in diferite arii ale creierului si pot fi
impartite in 2 sisteme: sistemul dopaminergic nigrostriatal implicat in controlul
motor, si sistemul dopaminergic mezolimbic implicat in controlul emotiilor.
Sistemul dopaminergic nigrostriatal
Corpurile celulare ale sistemuuil dopaminergic nigrostriatal sunt
localizate intr-o parte a creierului numita substanta neagra deoarece contine
pigment melanic. Neuronii din substanta neagra trimit fibre unui grup de nuclei
numiti corpul striat. Aceste regiuni fac parte din nucleii bazali – mase intinse de
corpi celulari neuronali implicati in initierea miscarilor scheletice. Exista dovezi
ca boala Parkinson poate fi cauzata si de degenerarea neuronilor dopaminergici
din substanta neagra. Boala Parkinson este a 2-a boala neuro-degenerativa dupa
Alzheimer si este asociata cu simptome ca tremorul muscular, rigiditate,
dificultate in initierea miscarilor si vorbirii. Pacientii sunt frecvent tratati cu LDopa
si inhibitori MAO in incercarea de a spori transmisia dopaminergica.
Cursul 3
12
Sistemul dopaminergic mezolimbic
Sistemul dopaminergic mezolimbic implica neuroni ce trimit axonii unor
structuri ale sistemului limbic (fig. 3-10). Dopamina eliberata de catre acesti
neuroni poate fi implicata in comportament.
Studii recente au demosntrat ca alcoolul, amfetaminele, cocaina,
marihuana si morfina promoveaza activitatea neuronilor dopaminergici ce se
termina intr-o regiune particulara – nucleus accumbens.
Toate medicamentele folosite pentru a trata schizofrenia (neuroleptice)
actioneaza ca antagonisti ai subtipului D2 al receptorilor dopaminergici. Acest
lucru sugereaza ca supraactivitatea sistemului mezolimbic contribuie la
schizofrenie.
Fig. 3-10 – Cai dopaminergice in creier – Axonii dopaminergici parasesc
substanta neagra si fac sinapsa in corpus striat. Acesta este sistemul nigrostriatal
folosit in controlul motor. Sistemul mezolimbic este implicat in controlul
emotiilor.
NOREPINEFRINA
Norepinefrina, ca si Ach este folosita ca neurotransmitator atat in SNC cat
si cel periferic. Sinteza pleca de la fenilalanina trecand prin mai multe stadii.
Cursul 3
13
Fenilalanina → Tirozina → DOPA → Dopamina → Norepinefrina (NA)
↓
Epinefrina (A)
Inactivarea norepinefrinei de catre MAO si COMT trece de asemenea prin
mai multe stadii.
Fig. 3-11 – (A) MAO
dezamineaza NA in DOPEG;
(B) COMT metileaza NA la
normetanefrina (NM)
Neuronii simpatici ai SNP folosesc norepinefrina ca neurotransmitator la
sinapsele lor cu muschii netezi, muschiul cardiac si anumite glande. Anumiti
neuroni din SNC folosesc de asemenea norepinefrina drept neurotransmitator;
acesti neuroni par a fi implicati in comportamentul general al persoanei. Acest
lucru ar explica pofta indusa de amfetamine, ce stimuleaza caile prin care
norepinefrina este folosita ca neurotransmitator. Astfel de medicamente de
asemenea stimuleaza si caile SNP ce folosesc norepinefrina.
Amino acizii
Un numar de amino acizi din SNC satisfac majoritatea criteriilor pentru
un neurotransmitatori. Exista 2 AA excitatori – acidul glutamic si acidul
aspartic si 2 AA inhibitori – acidul γ aminobutiric (GABA) si glicina.
Neurotransmitatorii excitatori
Acidul glutamic si acidul aspartic functioneaza ca neurotransmitatori
excitatori in SNC. Acidul glutamic (sau glutamatul) este neurotransmitatorul
excitator major din creier, producand potentiale postsinaptice excitatorii
Cursul 3
14
(excitatory postsynaptic potentials) (EPSPs). Fiecare din receptorii glutamat
cuprind un canal ionic similar cu cel intalnit la receptorul nicotinic Ach.
Printre acesti receptori glutamat producatori de EPSP pot fi distinse 3
subtipuri. Acestea sunt numite dupa moleculele de care se leaga:
􀀹 Receptorii NMDA (N-metil-D-aspartat)
􀀹 Receptorii AMPA
􀀹 Receptorii kainat
Fig. 3-12 – Rolul
receptorilor glutamatului
– neurotransmitatorul
glutamat (Glu) se poate
lega la 3 receptori
diferiti. Activarea
receptrorilor NMDA
duce la ↑ concentratie de
Ca+ in citoplasma;
Receptorii NMDA ai glutamatului sunt implicati in depozitarea memoriei.
Acesti receptori sunt foarte complexi, deoarece canalul ionic nu se va deschide
doar la legarea glutamatului la receptor. In schimb trebuie indeplinite alte 2
conditii in acelasi timp:
(1) receptorul NMDA trebuie sa se lege de asemenea la glicina si
(2) membrana trebuie sa fie partial depolarizata in acest timp de catre un
alt neurotransmitator ce se leaga la un receptor diferit. Odata deschis, canalele
receptorului NMDA permit intrarea Ca+ si a Na+ (si iesirea K+) in dendritele
neuronului postsinaptic.
Anumiti factori ce actioneaza in creierul ischemic ar putea atenua functia
receptorilor NMDA, reducand astfel ponderea neurotoxicitatii mediata prin
receptorii NMDA. Inhibarea activitatii receptorilor NMDA ar putea fi indusa de:
􀀹 Cresterea concentratiei extracelulare a ionilor de hidrogen datorita
acumularii acidului lactic, Zn2+, si radicalilor liberi;
Cursul 3
15
􀀹 Defosforilarea receptorului NMDA ca urmare a scaderii nivelului
ATP;
􀀹 Activarea calineurinei de catre Ca2+
􀀹 Inhibarea directa a receptorului NMDA de catre complexul Cacalmodulina.
Neurotransmitatorii inhibitori
Amino acidul glicina este inhibitor; in schimbul depolarizarii membranei
postsinaptice si producerii de EPSP, glicina hiperpolarizeaza membrana
postsinaptica si produce un potential inhibitor postsinaptic (IPSP). Legarea
glicinei la receptorul sau proteic duce la deschiderea canalelor de Cl- din
membrana postsinaptica. Ca rezultat, Cl- difuzeaza in neuronul postsinaptic si
produce hiperpolarizare. Acest lucru inhiba neuronul prin producerea de
potentiale membranare si mai negative decat in repaus.
Fig. 3-13 – Structura glicinei
Efectele inhibitorii ale glicinei sunt foarte importante in maduva spinarii,
unde ajuta la controlul miscarilor scheletice. Flexia unei maini de exemplu
implica stimularea muschilor flexori de catre neuronii motori din maduva
spinarii. Neuronii motori care inerveaza muschii extensori antagonisti sunt
inhibati de catre IPSP produse de catre glicina eliberata de catre alti neuroni.
Importanta actiunii inhibitorii a glicinei este demonstrata de efectele mortale ale
stricninei, o otrava ce produce paralizie spastica prin blocarea specifica a
receptorilor glicinei.
Neurotransmitatorul inhibiotor GABA (acid gama amino butiric) este un
derivat al altui amino acid – acidul glutamic. GABA este cel mai raspandit
neurotransmitator din creier (1/3 din neuroni folosesc GABA). Ca si glicina,
GABA este un neurotransmitator inhibitor – el hiperpolarizeaza membrana
postsinaptica prin deschiderea canalelor de Cl-.
Cursul 3
16
De asemenea, efectele GABA sunt implicate in controlul motor. De
exemplu, celulele Purkinje mediaza functiile motorii ale cerebelului prin
producerea de IPSP in neuronii postsinaptici. O deficienta in neuronii eliberatori
de GABA este responsabila de miscari necontrolate ale pacientilor – coreea
Huntington.
Benzodiazepinele sunt medicamente ce actioneaza pentru a spori
capacitatea GABA de a activa receptorii sai in creier si maduva
spinarii. Deoarece GABA inhiba activitatea neuronilor motori
spinali ce inerveaza muschii scheletici, infuzia intravenoasa de
benzodiazepine inhiba spasmele musculare din crizele epileptice.
Valium de exemplu se da pentru a trata anxietatea si senzatia de
somn.
Exista 2 tipuri majore de receptori GABA: GABAA si GABAB (tabelul 3-
5).
Polipeptidele
Multe polipeptide de dimensiuni variate sunt intalnite in sinapsele din
creier. Acestea sunt numite frecvent neuropeptide si se cred ca functioneaza ca
neuropeptide. In mod interesant, cateva din aceste polipeptide ce functioneaza ca
hormoni secretati de catre intestinul subtire si alte glande endocrine sunt de
asemenea produse de catre creier si pot functiona ca si neurotransmitatori.
De exemplu, colecistochinina (CCK) ce este secretata ca un hormon de
catre interstinul subtire, este de asemenea eliberata si de neuroni si folosita ca un
neurotransmitator in creier. Dovezi recente sugereaza faptul ca CCK, ce
actioneaza ca un neurotransmitator, poate promova senzatia de satietate in creier
dupa o masa. Un alt polipeptid intalnit in multe organe este substanta P.
Plasticitatea sinaptica
Chiar daca cateva din polipeptidele eliberate de neuroni pot functiona ca
neurotransmitatori in adevaratul sens (prin stimularea deschiderii canalelor
ionice si producerea modificarilor in potentialul membranar), unele dintre ele
prezinta efecte putin intelese.
Neuromodulatorii au fost propusi ca un nume pentru compusii cu astfel de
efecte alternative. O descoperire recenta deosebita este faptul ca anumiti neuroni
atat in SNC cat si in cel periferic produc atat un neurotransmitator clasic cat si
un neurotransmitator polipeptidic. Acestia sunt localizati in vezicule sinaptice
diferite ce pot fi diferentiate folosind microscopul electronic. Neuronul poate
Cursul 3
17
astfel elibera neurotransmitatorul clasic sau neurotransmitatorul polipeptidic in
conditii diferite.
Opioizii endogeni
Capacitatea opioizilor de a usura durerea (promoveaza analgezia) este
cunoscuta de secole. Morfina, de exemplu, a fost folosita intens in acest scop.
Descoperirea in 1973 a receptorului opioizilor in creier sugereaza ca efectele
acestor medicamente se pot datora unei stimulari a cailor neuronale specifice.
Efectele analgezice ale morfinei sunt blocate intr-o maniera specifica
printr-un medicament numit naloxona. Tot in 1973, s-a demonstrat ca naloxona
blocheaza efectul analgezic al stimularii electice a creierului.
Acesti compusi au fost identificati ca o familie de polipeptide produse de
creier si glanda pituitara. Un membru al aceste familii este numit β-endorfina.
Altul prezinta un grup de 5 peptide numit enkefaline.
Sistemul endogen opioid este inactiv in conditii normale, dar cand este
activat de anumiti factori el poate bloca transmisia durerii. De exemplu, o
explozie de β-endorfine poate fi intalnita la femei in timpul nasterii.
Opioizii exogeni cum ar fi opiumul si morfina pot produce euforie.
Neuropeptidul Y
Neuropeptidul Y este cel mai abundent neuropeptid din creier. S-a
demonstrat ca prezinta o varietate de efecte fiziologice, incluzand aici un rol de
raspuns la stress, in reglarea circulatiei, si in controlul sistemului cardiovascular.
Neuropeptidul Y inhiba eliberarea neurotransmitatorilor glutamat intr-o
parte a creierului numita hipocampus. Acest lucru este important deoarece
eliberarea excesiva a glutamatului in aceasta zona poate cauza convulsii.
Neuropeptidul Y este de asemenea un stimulator puternic al apetitului.
Cand este injectat in creierul sobolanilor, el poate face ca sobolanii sa manance
pana devin obezi.
Enkefalinele
Pana in prezent au fost identificate 2 enkefaline – metenkefalina si
leuenkefalina.
Enkefalinele sunt raspandite larg in creier. Cele mai mari concentratii se
intalnesc in cornul dorsal al maduvei spinarii, sistemul limbic si ganglionii
bazali in special globul palid. Este bine de stiut ca in cazul bolii Huntington
concentratia de metenkefaline din globul palid scade la 1/3 din normal.
Actiunea interneuronala a neuronilor enkefalinergici este prezentata in
figura 3-14.
Cursul 3
18
Fig. 3-14 – Controlul enkefalinergic al fibrelor dureroase din substanta
gelatinoasa – un neuron primar senzorial folosind substanta P face sinapsa cu un
neuron al caii spinotalamice.
Canabinoizii
Canabisul (numit si marihuana sau hasis) este probabil cel mai cunoscut
si mai controversat dintre droguri. El este un extract al unei plante – Cannabis
sativa. Acest extract contine un numar mare de compusi activi dintre care cel
mai important este Δ 9-tetrahydrocannabinol (Δ 9THC). Ingestia sau inhalarea
canabisului induce o serie de efecte adverse la om. Printre acestea amintim
euforia, sedarea, pierderea memoriei, analgezia, stimularea apetitului si alterarea
perceptiei.
Nu ar fi posibil ca receptorii canabinoizi sa existe in creier daca nu ar avea
liganzi endogeni de care sa se lege. Doi canabinoizi endogeni au fost
identificati: arahidoniletanolamida (‘anandamida’) si 2-arahidonilglicerol (2-
AG).
Anandamida este probabil canabinoidul endogen eliberat in creier. Se
sugereaza ca este eliberata in fanta sinaptica de catre celula postsinaptica si
difuzeaza de-a lungul fantei pentru a se lega de receptorii CB1 din membrana
presinaptica, inhiband astfel eliberarea neurotransmitatorilor (fig. 3-15).
Cursul 3
19
Fig. 3-15- Posibila organizare a unei
semnalizari canabinoide intr-o sinapsa
– membrana postsinaptica este
depolarizata si fluxul de Ca2+ stimuleaza
producerea de canabinoid endogen (EC).
Acesta difuzeaza in afara si activeaza
receptorul CB1. Un sistem de proteine G
inchide canalul de Ca2+ din membrana
presinaptica, inhiband astfel eliberarea de
neurotransmitator.
Oxidul nitric
Oxidul nitric (NO) a fost primul gaz identificat drept neurotransmitator.
Produs de catre sintetaza oxidului nitric (NOS) din amino acidul L-arginina,
actiunile NO sunt foarte diferite de cele ale oxidului nitros (N2O2) (gaz ilariant).
Oxidul nitric prezinta diferite roluri in corpul uman. In vasele de sange, el
actioneaza ca un reglator local al tesutului ce duce la relaxarea muschiului neted,
ducand astfel la dilatarea sa. La macrofage si alte celule, NO ajuta la distrugerea
bacteriilor. In plus, NO este un neurotransmitator al catorva neuroni in SNC si
cel periferic. Difuzeaza in afara axonului presinaptic in celulele vecine prin
simpla trecere prin portiunea lipidica a membranei celulare. Odata ajuns in
celula tinta, NO exercita rolul sau prin stimularea producerii de GMPc, ce
actioneaza ca mesager secund.
In SNP, NO este eliberat de cativa neuroni ce inerveaza tractul
gastrointestinal, aparatul respirator si vasele de sange cerebrale. Acestia sunt
neuroni autonomi ce produc relaxarea organelor tinta.
Exista 3 izoforme diferite de NOS – neuronal NOS (nNOS) intalnita in
neuroni, inducible NOS (iNOS) prezenta in celulele gliale, si endothelial NOS
(eNOS) in celulele endoteliale. Toate aceste forme necesita co-facori – FAD,
FMN, NADPH.
Cursul 3
20
Fig. 3-16 – Sintetaza oxidului nitric neuronala – toate subunitatile au situsuri
de legare pentru NADPH, FAD si FMN in apropierea capatului carboxil si
situsuri de legare pentru BH4 catre capatul amino terminal. Domeniile reductazei
si oxigenazei sunt legate de un situs de legare a calmodulinei (CaM). Ocuparea
acestui situs faciliteaza transferul electronic de la acesti cofactori in timpul
producerii NO. NOS catalizeaza convesia argininei la citrulina si NO. nNOS
este asociata cu proteina de densitate postsinaptica (PDP-95) in membrana
neuronala. Drept raspuns la cresterea Ca2+ intracelular, nNOS interactioneaza cu
CaM. Complexul Ca2+-CaM in combinatie cu BH4 se leaga la nNOS si induce
translocarea sa din membrana plasmatica in citoplasma. Defosforilarea nNOS de
catre calcineurina initiaza producerea de NO. NO activeaza guanilat ciclaza
(GC) si activeaza cai variate de semnalizare reglate de GMPc.
De asemenea NO poate fi declansator in epileptogeneza, poate traduce
semnalul luminos in influx nervos in celulele fotoreceptoare din retina, poate
avea efect toxin in SNC prin faptul ca induce formarea de radicali liberi, dar are
si efect protector in SNC deoarece neutralizeaza ionii superoxid.
Cursul 4
Amino acizii
Un numar de amino acizi din SNC satisfac majoritatea criteriilor specifice
pentru un neurotransmitator. Exista 2 AA excitatori – acidul glutamic si acidul
aspartic si 2 AA inhibitori – acidul γ aminobutiric (GABA) si glicina.
Neurotransmitatorii excitatori
Acidul glutamic si acidul aspartic functioneaza ca neurotransmitatori
excitatori in SNC. Acidul glutamic (sau glutamatul) este neurotransmitatorul
excitator major din creier, producand potentiale postsinaptice excitatorii
(excitatory postsynaptic potentials) (EPSPs). Fiecare din receptorii glutamat
cuprind un canal ionic similar cu cel intalnit la receptorul nicotinic Ach.
Printre acesti receptori glutamat producatori de EPSP pot fi distinse 3
subtipuri. Acestea sunt numite dupa moleculele de care se leaga:
􀀹 Receptorii NMDA (N-metil-D-aspartat)
􀀹 Receptorii AMPA
􀀹 Receptorii kainat
Fig. 4-1 – Rolul
receptorilor glutamatului.
Neurotransmitatorul
glutamat (Glu) se poate
lega la 3 receptori
diferiti. Activarea
receptorilor NMDA duce
la ↑ concentratie de Ca+
in citoplasma;
Receptorii NMDA ai glutamatului sunt implicati in depozitarea memoriei.
Acesti receptori sunt foarte complecsi, deoarece canalul ionic nu se va deschide
doar la legarea glutamatului la receptor. In schimb trebuie indeplinite alte 2
conditii in acelasi timp:
Cursul 4
(1) receptorul NMDA trebuie sa se lege de asemenea la glicina si
(2) membrana trebuie sa fie partial depolarizata in acest timp de catre un
alt neurotransmitator ce se leaga la un receptor diferit. Odata deschis, canalele
receptorului NMDA permit intrarea Ca+ si a Na+ (si iesirea K+) in dendritele
neuronului postsinaptic.
Anumiti factori ce actioneaza in creierul ischemic ar putea atenua functia
receptorilor NMDA, reducand astfel ponderea neurotoxicitatii mediata prin
receptorii NMDA. Inhibarea activitatii receptorilor NMDA ar putea fi indusa de:
􀀹 Cresterea concentratiei extracelulare a ionilor de hidrogen datorita
acumularii acidului lactic, Zn2+, si radicalilor liberi;
􀀹 Defosforilarea receptorului NMDA ca urmare a scaderii nivelului
ATP;
􀀹 Activarea calicineurinei de catre Ca2+;
􀀹 Inhibarea directa a receptorului NMDA de catre complexul Cacalmodulina.
Neurotransmitatorii inhibitori
Amino acidul glicina (fig 4-2) este inhibitor; in schimbul depolarizarii
membranei postsinaptice si producerii de EPSP, glicina hiperpolarizeaza
membrana postsinaptica si produce un potential inhibitor postsinaptic (IPSP).
Legarea glicinei la receptorul sau proteic duce la deschiderea canalelor de Cldin
membrana postsinaptica. Ca rezultat, Cl- difuzeaza in neuronul postsinaptic
si produce hiperpolarizare. Acest lucru inhiba neuronul prin producerea de
potentiale membranare si mai negative decat in repaus.
Fig. 4-2 – Structura glicinei
Efectele inhibitorii ale glicinei sunt foarte importante in maduva spinarii,
unde ajuta la controlul miscarilor scheletice. Flexia unei maini de exemplu
implica stimularea muschilor flexori de catre neuronii motori din maduva
spinarii. Neuronii motori care inerveaza muschii extensori antagonisti sunt
inhibati de catre IPSP produse de catre glicina eliberata de catre alti neuroni.
Importanta actiunii inhibitorii a glicinei este demonstrata de efectele mortale ale
stricninei, o otrava ce produce paralizie spastica prin blocarea specifica a
receptorilor glicinei.
Neurotransmitatorul inhibitor GABA (acid gama amino butiric) este un
derivat al altui amino acid – acidul glutamic. GABA este cel mai raspandit
Cursul 4
neurotransmitator din creier (1/3 din neuroni folosesc GABA). Ca si glicina,
GABA este un neurotransmitator inhibitor – el hiperpolarizeaza membrana
postsinaptica prin deschiderea canalelor de Cl- (fig 4-3).
Fig. 4-3 – Deschiderea canalelor de Cl-
De asemenea, efectele GABA sunt implicate in controlul motor. De
exemplu, celulele Purkinje mediaza functiile motorii ale cerebelului prin
producerea de IPSP in neuronii postsinaptici. O deficienta in neuronii eliberatori
de GABA este responsabila de miscari necontrolate ale pacientilor – coreea
Huntington.
Benzodiazepinele sunt medicamente ce actioneaza pentru a spori
capacitatea GABA de a activa receptorii sai in creier si maduva
spinarii. Deoarece GABA inhiba activitatea neuronilor motori
spinali ce inerveaza muschii scheletici, infuzia intravenoasa de
benzodiazepine inhiba spasmele musculare din crizele epileptice.
Valium de exemplu se da pentru a trata anxietatea si senzatia de
somn.
Exista 2 tipuri majore de receptori GABA: GABAA si GABAB (tabelul 4-
1).
Polipeptidele
Multe polipeptide de dimensiuni variate sunt intalnite in sinapsele din
creier. Acestea sunt numite frecvent neuropeptide si se cred ca functioneaza ca
neuropeptide. In mod interesant, cateva din aceste polipeptide ce functioneaza ca
Cursul 4
hormoni secretati de catre intestinul subtire si alte glande endocrine sunt de
asemenea produse de catre creier si pot functiona ca si neurotransmitatori.
De exemplu, colecistochinina (CCK) ce este secretata ca un hormon de
catre intestinul subtire, este de asemenea eliberata si de neuroni si folosita ca un
neurotransmitator in creier. Dovezi recente sugereaza faptul ca CCK, ce
actioneaza ca un neurotransmitator, poate promova senzatia de satietate in creier
dupa o masa. Un alt polipeptid intalnit in multe organe este substanta P.
Substanta P (P de la engl. pain = durere) este un neuropeptid a carei
principala functie este aceea de a transmite durerea in sistemul nervos central.
Din punct de vedere chimic este un polipeptid cu lant scurt (11 aminoacizi): Arg
Pro Lys Pro Gln Gln Phe Phe Gly Leu Met. Functional, este un
neurotransmitator si un neuromodulator.
Ca neurotransmitator actioneaza la nivelul sinapsei dintre axonii
neuronilor I ai cailor sensibilitatilor viscerosenzitive si somatosenzitive, cu
neuronii II (deutoneuronii) acelorasi cai, in laminele 2, 3 si 4 Rexed. Aceste
sinapse sunt inhibate de endorfine si enkefaline (asa-numitele "opioide
endogene"), precum si de opioidele exogene, rezultand diminuarea senzatiei
dureroase.
Ca neuromodulator este prezenta in multe zone ale sistemului nervos
central, aici actiunea sa fiind legata de depresie, stres, anxietate, greata, voma,
durere.
Este produsa si de celulele "sistemului endocrin difuz" (APUD), mai ales
in tractul gastro-intestinal, aici avand se pare rol de vasodilatator, prin
intermediul NO, cu actiune la nivelul endoteliilor.
Receptorul sau este neurokinina 1 (o proteina membranara din grupul
receptorilor cu proteine G atasate).
Un exemplu de antagonist al substantei P este aprepitantul, iar capsaicina
ii reduce concentratia in SNC.
Plasticitatea sinaptica
Chiar daca cateva din polipeptidele eliberate de neuroni pot functiona ca
neurotransmitatori in adevaratul sens (prin stimularea deschiderii canalelor
ionice si producerea modificarilor in potentialul membranar), unele dintre ele
prezinta efecte putin intelese.
Neuromodulatorii au fost propusi ca un nume pentru compusii cu astfel de
efecte alternative. O descoperire recenta deosebita este faptul ca anumiti neuroni
atat in SNC cat si in cel periferic produc atat un neurotransmitator clasic cat si
un neurotransmitator polipeptidic. Acestia sunt localizati in vezicule sinaptice
diferite ce pot fi diferentiate folosind microscopul electronic. Neuronul poate
astfel elibera neurotransmitatorul clasic sau neurotransmitatorul polipeptidic in
conditii diferite.
Cursul 4
Opioizii endogeni
Capacitatea opioizilor de a usura durerea (promoveaza analgezia) este
cunoscuta de secole. Morfina, de exemplu, a fost folosita intens in acest scop.
Descoperirea in 1973 a receptorului opioizilor in creier sugereaza ca efectele
acestor medicamente se pot datora unei stimulari a cailor neuronale specifice.
Efectele analgezice ale morfinei sunt blocate intr-o maniera specifica
printr-un medicament numit naloxona. Tot in 1973, s-a demonstrat ca naloxona
blocheaza efectul analgezic al stimularii electrice a creierului.
Acesti compusi au fost identificati ca o familie de polipeptide produse de
creier si glanda pituitara. Un membru al aceste familii este numit β-endorfina.
Altul prezinta un grup de 5 peptide numit enkefaline.
Sistemul endogen opioid este inactiv in conditii normale, dar cand este
activat de anumiti factori el poate bloca transmisia durerii. De exemplu, o
explozie de β-endorfine poate fi intalnita la femei in timpul nasterii.
Opioizii exogeni cum ar fi opiumul si morfina pot produce euforie.
Neuropeptidul Y
Neuropeptidul Y este cel mai abundent neuropeptid din creier. S-a
demonstrat ca el prezinta o varietate de efecte fiziologice, care includ raspunsul
la stress, reglarea circulatiei, si controlul sistemului cardiovascular.
Neuropeptidul Y inhiba eliberarea neurotransmitatorilor glutamat intr-o
parte a creierului numita hipocampus. Acest lucru este important deoarece
eliberarea excesiva a glutamatului in aceasta zona poate cauza convulsii.
Neuropeptidul Y este de asemenea un stimulator puternic al apetitului.
Cand este injectat in creierul sobolanilor, el poate face ca sobolanii sa manance
pana devin obezi.
Enkefalinele
Pana in prezent au fost identificate 2 enkefaline – metenkefalina si
leuenkefalina.
Enkefalinele sunt raspandite larg in creier. Cele mai mari concentratii se
intalnesc in cornul dorsal al maduvei spinarii, sistemul limbic si ganglionii
bazali in special globul palid. Este bine de stiut ca in cazul bolii Huntington
concentratia de metenkefaline din globul palid scade la 1/3 din normal.
Actiunea interneuronala a neuronilor enkefalinergici este prezentata in
figura 4-4.
Cursul 4
Fig. 4-4 – Controlul enkefalinergic al fibrelor dureroase din substanta
gelatinoasa – un neuron primar senzorial folosind substanta P face sinapsa cu un
neuron al caii spinotalamice.
Canabinoizii
Canabisul (numit si marihuana sau hasis) este probabil cel mai cunoscut
si mai controversat dintre droguri. El este un extract al unei plante – Cannabis
sativa. Acest extract contine un numar mare de compusi activi dintre care cel
mai important este Δ 9-tetrahydrocannabinol (Δ 9THC). Ingestia sau inhalarea
canabisului induce o serie de efecte adverse la om. Printre acestea amintim
euforia, sedarea, pierderea memoriei, analgezia, stimularea apetitului si alterarea
perceptiei.
Nu ar fi posibil ca receptorii canabinoizi sa existe in creier daca nu ar avea
liganzi endogeni de care sa se lege. Doi canabinoizi endogeni au fost
identificati: arahidoniletanolamida (‘anandamida’) si 2-arahidonilglicerol (2-
AG).
Anandamida este probabil canabinoidul endogen eliberat in creier. Se
sugereaza ca este eliberata in fanta sinaptica de catre celula postsinaptica si
difuzeaza de-a lungul fantei pentru a se lega de receptorii CB1 din membrana
presinaptica, inhiband astfel eliberarea neurotransmitatorilor (fig. 4-5).
Cursul 4
Fig. 4-5- Posibila organizare a unei semnalizari canabinoide intr-o sinapsa.
Membrana postsinaptica este depolarizata si fluxul de Ca2+ stimuleaza
producerea de canabinoid endogen (EC). Acesta difuzeaza in afara si activeaza
receptorul CB1. Un sistem de proteine G inchide canalul de Ca2+ din membrana
presinaptica, inhiband astfel eliberarea de neurotransmitator.
Oxidul nitric
Oxidul nitric (NO) a fost primul gaz identificat drept neurotransmitator.
Produs de catre sintetaza oxidului nitric (NOS) din amino acidul L-arginina,
actiunile NO sunt foarte diferite de cele ale oxidului nitros (N2O2) (gaz ilariant).
Oxidul nitric prezinta diferite roluri in corpul uman. In vasele de sange, el
actioneaza ca un reglator local al tesutului care determina relaxarea muschiului
neted si induce astfel dilatarea sa. La macrofage si alte celule, NO ajuta la
distrugerea bacteriilor. In plus, NO este un neurotransmitator al unor neuroni din
SNC si din SNP. Difuzeaza in afara axonului presinaptic in celulele vecine prin
simpla trecere prin portiunea lipidica a membranei celulare. Odata ajuns in
celula tinta, NO exercita rolul sau prin stimularea producerii de GMPc, ce
actioneaza ca mesager secund.
Cursul 4
In SNP, NO este eliberat de anumiti neuroni care inerveaza tractul
gastrointestinal, aparatul respirator si vasele de sange cerebrale. Acestia sunt
neuroni autonomi ce produc relaxarea organelor tinta.
Efectul NO asupra vaselor de sange ofera o explicatie pentru mecanismul
de actiune al nitroglicerinei, care este utilizata de 100 de ani in tratamentul
anginei pectorale. Nitroglicerina este transformata in NO, care relaxeaza vasele
de sange ale inimii, determinand astfel cresterea aportului de sange la nivelul
muschiului cardiac.
Exista 3 izoforme diferite de NOS – neuronal NOS (nNOS) intalnita in
neuroni, inducible NOS (inductibil) (iNOS) prezenta in celulele gliale, si
endothelial NOS (eNOS) in celulele endoteliale. Toate aceste forme necesita cofacori
– FAD, FMN, NADPH.
Fig. 4-6 – Implicarea sintetazei oxidului nitric neuronala in semnalizare
Toate subunitatile NOS prezinta situsuri de legare pentru NADPH, FAD
si FMN in apropierea capatului carboxil si situsuri de legare pentru BH4 catre
capatul amino terminal. Domeniile reductazei si oxigenazei sunt legate de un
situs de legare a calmodulinei (CaM). Ocuparea acestui situs faciliteaza
Cursul 4
transferul electronic de la acesti cofactori in timpul producerii NO. NOS
catalizeaza convesia argininei la citrulina si NO. nNOS este asociata cu proteina
de densitate postsinaptica (PDP-95) in membrana neuronala. Drept raspuns la
cresterea Ca2+ intracelular, nNOS interactioneaza cu CaM. Complexul Ca2+-
CaM in combinatie cu BH4 se leaga la nNOS si induce translocarea sa din
membrana plasmatica in citoplasma. Defosforilarea nNOS de catre calcineurina
initiaza producerea de NO. NO activeaza guanilat ciclaza (GC) si activeaza cai
variate de semnalizare reglate de GMPc.
De asemenea NO poate fi declansator in epileptogeneza, poate traduce
semnalul luminos in influx nervos in celulele fotoreceptoare din retina, poate
avea efect toxic in SNC prin faptul ca induce formarea de radicali liberi, dar are
si efect protector in SNC deoarece neutralizeaza ionii superoxid.
Monoxidul de carbon (CO) – este si el utilizat ca molecula semnal
intracelulara, care poate actiona pe aceeasi cale ca si NO, stimuland guanilat
ciclaza.
Actiuni specifice
In timp ce unii mediatori sunt utilizati in tot sistemul nervos
central(glutamat, GABA) altii actioneaza in zone specifice ale creierului, sau
doar in sistemul nervos periferic. De exmeplu, serotonina este utilizata in
trunchiul cerebral in nucleul rafeului. Dopamina este utilizata in doua contexte:
sistemul responsabil de recompensa si cel responsabil de controlul miscarii.
Multe droguri contin substante care seamana cu astfel de
neurotransmitatori specifici (de exemplu LSD). Alte droguri blocheaza
indepartarea neurtransmitatorilor din fanta sinaptica, ca de exemplu cocaina care
blocheaza neutralizarea dopaminei. Si unele medicamente folosite in psihiatrie
functioneaza pe acelasi principiu. De exemplu, Prozac inhiba neutralizarea
serotoninei, crescandu-i astfel puterea de actiune.
Cursul 5
1
Transductia senzoriala
Senzatia si perceptia mediului inconjurator si raspunsul organismului sunt
realizate prin intermediul sistemelor senzoriale. Aceste sisteme au in comun 3
elemente:
􀀹 Stimulul;
􀀹 Transductia stimulului in impuls nervos ce produce o experienta
subiectiva;
􀀹 Raspunsul.
Stimulul prezinta mai multe proprietati, printre care: durata, localizare,
intensitate, modul de actiune, toate acestea fiind corelate cantitativ cu senzatia
traita. Modalitatile de stimulare sunt urmatoarele: lumina, sunet, atingere, gust si
miros si fiecare dintre acestea prezinta mai multe calitati.
Activarea mecanoreceptorilor
Mecanoreceptorii transforma un stimul fizic in impuls electric astfel incat
organismul este capabil sa localizeze stimulul si sa perceapa intensitatea si
durata sa. La oameni, acest lucru este indeplinit prin intermediul
mecanoreceptorilor: corpusculii Meissner, Ruffini, Pacini.
Mecanoreceptorii vertebratelor sunt relativ inaccesibili pentru studiu, dar s-au
facut progrese prin studiul lui Caenorhabditis elegans. La C. elegans cuticula
externa este cuplata la neuronii senzitivi printr-un invelis. Acest invelis este
atasat printr-un sistem de prindere la domeniul extracelular al unui canal ionic.
Cand este atinsa cuticula, invelisul este denaturant si astfel se deschid canalele
membranare cuplate la microtubulii intracelulari (fig. 5-1).
Fig. 5-1 – Model molecular al actiunii mecanoreceptorilor.
Cursul 5
2
Mecanismul include un canal ionic ce permite un influx de Na+ si K+ in
celula, producand depolarizarea membranei celulare si aparitia potentialului de
receptor.
Odata cu aparitia potentialului de actiune, acesta se propaga de-a lungul
fibrei nervoase catre centrul sistemului nervos. Multe din aceste fibre sunt
mielinizate, marind astfel rata de transmisie a impulsului nervos catre SNC.
Corpul celular al neuronului se afla in ganglionul din radacina posterioara a
nervului spinal. Astfel, radacina posterioara a ganglionului prezinta 2 ramificatii
axonale, una care se proiecteaza la periferie, si alta care se proiecteaza la nivelul
SNC (fig. 5-2).
Fig. 5-2 – Morfologia unui ganglion al radacinii posterioare.
Potentialul de receptor (potential generator) reprezinta modificarea
potentialului de membrana al receptorului determinata de interactiunea dintre
stimulul specific si organul receptor;
Caracteristici:
• se raspandeste electrotonic in zonele invecinate,
• raspunsul poate fi gradat,
• poate ramane localizat sau, cand amplitudinea sa depaseste pragul poate initia
un potential de actiune,
• cu cat potentialul de receptor este mai mare decat nivelul prag, cu atat este mai
mare frecventa de descarcare a potentialelor de actiune.
Adaptarea
Aplicand asupra unui receptor un stimul stabil de intensitate constanta,
freceventa potentialelor de actiune in fibra nervoasa senzitiva scade cu timpul.
A. receptori cu adaptare lenta (tonici) (fig. 5-3 A),
B. receptori cu adaptare rapida (fazici) (fig. 5-3 B).
Cursul 5
3
Fig. 5-3 – Adaptarea.
Campul receptor reprezinta aria senzoriala din care primeste informatii un
neuron senzitiv. Cu cat este mai mic campul receptor, cu atat mai precisa e
localizarea stimulilor (fig. 5-4).
Fig. 5-4 – Campul
receptor.
Sensibilitatea tactila
Receptorii cutanati pentru sensibilitatea tactila (fig. 5-5) sunt:
► terminatii nervoase libere
Cursul 5
4
►structuri complexe in care terminatia nervoasa e inconjurata de structuri
nonneurale:
• receptori anexati firului de par,
• corpusculi Meissner,
• discuri Merkel,
• corpusculi Pacini,
• corpusculi Ruffini
Fig. 5-5 - Receptorii
cutanati pentru
sensibilitatea tactila.
Corpusculii Meissner
►Localizati in pielea glabra, la nivelul papilelelor dermice
►Foarte numerosi pe palme, plante si buze, rari pe trunchi.
►Camp receptor redus
►Forma ovoidala, 90-120μm
►Sunt alcatuiti din:
• capsula subtire conjunctivo-elastica
• lamele conjunctive si celule conjunctive
• ramificatii spiralate ale filamentelor nervoase terminale
►Stimuleaza o fibra mielinizata groasa (tip A beta).
Corpusculii Meissner se adapteaza rapid. Un stimul aplicat lent
determina un potential de receptor si o frecventa de descarcare mai mica decat
un stimul de aceeasi intensitate dar aplicat brusc. Frecventa de descarcare in
fibra nervoasa codifica rapiditatea aplicarii stimulului.
Corpusculii Meissner sunt sensibili la: miscarea obiectelor pe suprafata
pielii, vibratii de frecventa joasa.
Celulele Merkel
► impreuna cu terminatiile nervoase asociate formeaza un mecanoreceptor
Cursul 5
5
► prezinta markeri epiteliali dar si anumite caracteristici de celula nervoasa
(proteina S 100, enolaza neuron-specifica, proteina neurofilamentului,
cromogranina, sinaptolizina)
► prezinta vezicule neurosecretorii ce contin neuropeptide, prezente in toata
citoplasma, mai dense in regiunea din apropierea fibrelor nervoase
► sunt capabile sa produca majoritatea neuromediatorilor identificati in piele
► exprima receptori pentru numerosi neuromediatori.
Deformarea mecanica a celulelor Merkel activeaza canale de Ca de tip ICa
(calcium sustained current) generand un influx de Ca in celula ce determina
eliberarea de neurotransmitatori din celule ce actioneaza asupra terminatiilor
nervoase.
Discurile Merkel transmit un impuls initial puternic, dar care se adapteaza
partial si apoi un impuls mai slab, continuu, ce se adapteaza lent, fiind
responsabile de furnizarea unor impulsuri stabile ce permit perceperea atingerii
continue. Discurile Merkel sunt receptori cu camp receptor ingust si au un rol
important in localizarea senzatiilor tactile.
Corpusculii Pacini
• foarte numerosi in hipodermul palmelor si plantelor
• voluminosi - lungime aprox 1 mm; camp receptor larg
• forma eliptica
Sunt alcatuiti din:
►capsula formata din 20-60 lamele concentrice cu aspect asemanator foitelor de
ceapa;
►fibra nervoasa cu diametru de aproximativ 2μm care se termina printr-o
umflatura in contact cu celulele lamelare centrale; capatul fibrei e nemielinizat,
dar cu putin inainte de a parasi corpusculul fibra devine mielinizata; primul nod
Ranvier e situat de asemenea in interiorul corpusculului.
Stimul mecanic deformeaza lamela externa a capsulei => deformarea
transmisa la terminatia nervoasa. Deformarea terminatiei nervoase receptoare
=> deschiderea unor canale ionice si cresterea conductantei pentru Na+ (si alti
ioni K +,Cl - sunt implicati) => modificare brusca a potentialului membranar,
determinand aparitia unui potential de receptor (fig. 5-6).
Cursul 5
6
Fig. 5-6 - Aparitia unui potential de receptor.
Daca circuitul local de curent creat cuprinde si primul nod Ranvier al
fibrei atunci se produce un potential de actiune. Cu cat compresiunea mecanica e
mai puternica, cu atat amplitudinea potentialului de receptor creste, descarcarile
putand deveni repetitive. Nodul converteste raspunsul gradat al receptorului in
potentiale de actiune a caror frecventa e proportionala cu intensitatea stimulului
(fig. 5-7).
Fig. 5-7 – Relatia intensitatea stimulului – amplitudinea raspunsului.
Transmisia durerii catre sistemul nervos central
Perceptia durerii are loc atunci cand nociceptorii sunt stimulati si transmit
semnale catre neuronii senzitivi din maduva spinarii. Acesti neuroni elibereaza
glutamatul, un excitant major al neurotransmiterii de la un neuron la altul.
Semnalul este transmis catre talamus, acolo unde are loc perceptia durerii. De
aici, semnalul nervos traverseaza cortexul somato-senzitiv ajungand in final la
creierul mare, moment in care fiecare individ devine constient de durere. Sunt
doua cai de trasmitere a durerii catre SNC: calea neospinotalamica (durere
rapida) si calea paleospinotalamica (durere lenta)
* Durerea rapida pe calea fibrele Aδ (delta) se termina in lamina I
(lamina marginalis) din coarnele dorsale a maduvei. A doua trasmitere are loc
prin intermediul tractului neospinotalamic, se amplifica la nivelul fibrelor
nervoase care traverseaza linia mediana prin comisura anterioara si se indreapta
ascendent catre partea anterolaterala. De aici o a treia transmisie are loc prin
neuroni catre cortexul somatosenzitiv. Durerea rapida poate fi localizata usor
daca fibrele Aδ sunt stimulate impreuna cu receptorii tactili.
Cursul 5
7
* Durerea lenta este transmisa pe calea fibrele C catre lamina II si III
(substanta gelatinoasa), de aici neuronii transmitand-o catre lamina V, situata in
cornul dorsal al maduvei spinarii. De aici se intersecteaza cu fibrele durerii
rapide, traverseaza in partea opusa via comisura anterioara, apoi traverseaza
ascendent pana in calea anterolaterala. Acesti neuroni se termina in creier:
aproximativ o zecime de fibre oprindu-se in talamus, iar restul in maduva si
mezencefal.
Caile aferente:
􀂾 fibre senzitive nociceptive, somatice (fibre slab mielinizate), si vegetative
(fibre nemielinizate C), incluse in nervii cranieni.
􀂾 caile ascendente ale sensibilitatii dureroase formeaza fasciculul
spinotalamic lateral.
Centrii de integrare si percepere a durerii:
􀀹 centrii talamici ( percepere inconstienta, nelocalizata insotita de
alerta generala)
􀀹 sistemul limbic care coordoneaza componenta afectiva.
􀀹 centrii corticali aflati in lobii parietali.
Caile descendente de suprimare a durerii: substanta cenusie, nucleii
rafeului median, substanta reticulata a mezencefalului. Din punct de vedere
biochimic in farmacologia durerii sint implicate foarte multe substante:
serotonina, histamina, bradikinina (intilnite la nivelul nociceptorilor mediatori
algogeni), endorfine, dinorfine, enkefaline, endomorfine, (neuromediatori
peptidergici).
Sensibilitatea termica
► Permite aprecierea diferentelor relative de temperatura
► Intensitatea senzatiei termice este proportionala cu viteza de schimb termic
intre obiect si organism.
► Conductibilitatea termica a unui obiect este implicata in senzatia produsa.
► Senzatia termica prezinta diferite gradatii: inghet, frig, racoros, indiferent,
caldut, cald, fierbinte.
► Sunt implicate mai multe tipuri de receptori: receptori pentru cald si pentru
rece (raspund la stimuli termici inofensivi) si receptori pentru durere (stimulati
numai de nivelurile extreme de temperatura).
► Numarul termoreceptorilor variaza de la o regiune a pielii la alta:
• buze 15-20 puncte de rece pe cm2,
• degete 3-5 puncte de rece pe cm2,
• trunchi 1 punct de rece pe cm2.
Exista de 3-10 ori mai multi receptori pentru rece decat pentru cald.
► Termoreceptorii raspund mult mai intens la modificarile de temperatura decat
la temperaturile stationare.
Cursul 5
8
Receptorii pentru cald
► Detecteaza variatii termice superioare temperaturii cutanate.
► Sunt terminatii nervoase libere, cea mai mare parte amielinice si in mica
masura fibre mielinizate subtiri.
► Transmit impulsurile in principal prin fibre nervoase tip C cu viteze de
transmitere de 0,4-2 m/s.
► Incep sa descarce impulsuri la temperaturi cutanate de peste 30oC.
Receptorii pentru rece
► Detecteaza variatii termice inferioare temperaturii cutanate
► Sunt aproape in exclusivitate fibre subtiri mielinizate
► Ca receptor pentru rece a fost identificata o terminatie nervosa subtire
mielinizata de tip A delta, care se ramifica de cateva ori, varfurile ramificatiilor
protruzionand in suprafata bazala a celulelor epidermale bazale.
► Transmit impulsurile prin fibre nervoase A delta cu viteze de aproximativ 20
m/s, dar senzatia de rece poate fi transmisa si prin fibre de tip C.
► Descarca impulsuri la temperaturi intre 15-35 oC. Receptorii pentru rece
incep sa descarce paradoxal la valori ale temperaturii cutanate de 43-47 oC.
Baza moleculara a termoreceptiei
Termoreceptorii prezinta canale ionice din familia TRP (Transient
Receptor Potential), ce raspund la diferite praguri de temperatura.
►Canal implicat in senzatia de rece - CMR-1 (TRPM8)
• este activat la o temperatura de aproximativ 28oC, determinand un influx
de Ca2+. Acest influx creste in magnitudine pe masura ce temperatura
scade spre 8oC.
• mentolul stimuleaza de asemenea acest receptor.
►Canale importante pentru perceperea senzatiei de durere-cald
♦TRPV1
• canal cationic neselectiv activat de temperaturi din categoria
fierbinte.
• activat de asemenea de capsaicina (aplicata pe piele determina o
senzatie de arsura).
♦TRPV2
• un omolog al acestuia care raspunde la temperaturi mai ridicate.
Transductia vizuala
Studiul biochimic al proceselor moleculare intracelulare de la nivelul
fotoreceptorilor comporta 2 nivele:
􀀹 etapa nucleara – de sinteza proteica intracelulara;
􀀹 etapa membranoasa – de schimburi cu structurile invecinate.
La nivelul celulelor vizuale si a celulelor epiteliului pigmentar,
transformarea energiei luminoase in energie chimica este determinata de
Cursul 5
9
fotopigmenti. Pentru a asigura vederea continua, acestia sunt in mod permanent
degradati si resintetizati (fig. 5-8). Sunt cunoscute 4 tipuri de pigmenti vizuali:
rodopsina, porfirodopsina, iodopsina, si cianiodopsina.
Fig. 5-8 – Fotodisocierea rodopsinei.
Transductia este procesul biologic prin care semnalul detectat de un
receptor este transmis unor proteine intracelulare si este apoi tradus pentru a
declansa raspunsul celular. In transductia vizuala, fotonul (semnalul) este
absorbit de catre rodopsina (proteina receptoare).
Membrana celulelor fotoreceptoare prezinta ca majoritatea celulelor din
organism o polarizare electrica, fiind incarcata cu sarcini electrice pozitive la
exterior si negative la interior. Diferenta de potential intre exteriorul si interiorul
retinei poarta numele de potential membranar de repaus si are valoarea de 30-
40mV. Avand in vedere ca toate celulele excitabile din organism, inclusiv
neuronii, prezinta potentiale de membrana care variaza intre 50-90mV, rezulta
ca celulele fotoreceptoare retiniene se afla intr-o stare permanenta de
depolarizare. Aceasta se datoreaza unei permeabilitati crescute in repaus a
segmentului extern al bastonaselor pentru ionii de Na+, permeabilitate explicata
prin existenta unui numar mare de canale de Na+ deschise permanent in starea de
repaus. Astfel la intuneric (repaus) exista un intens flux transmembranar de Na+
catre interiorul celulei; excesul de ioni de Na+ patrunsi in interiorul bastonasului
este eliminat in mediul extracelular datorita activitatii unei pompe de Na+.
ATP-aza Na-K dependenta din membrana segmentului intern stabileste si
mentine gradientele de Na+ si K+. Iesirea K+ din celula va determina un potential
de 20mV, negativ in interior. Stimularea luminoasa a celulei cu bastonas
determina inchiderea rapida a canalelor pentru Na+, care face ca potentialul
electric al celulei cu bastonas sa devina mai electronegativ, determinand
Cursul 5
10
hiperpolarizarea membranei. Ca rezultat se elibereaza neurotransmitatorul in
fanta sinaptica dintre celula cu bastonas si celula bipolara, declansand impulsul
nervos. Astfel, paradoxal, la intuneric celulele cu bastonas sunt depolarizate si
elibereaza neurotransmitatorul, iar la lumina are loc o hiperpolarizare a
membranei acestuia si inhibarea neurotransmitatorului la nivelul sinapsei.
A fost destul de dificil de explicat mecanismul cuplarii fotochimice si
electrice prin care se ajunge de la modificarile conformationale suferite de
rodopsina sub actiunea luminii, la inchiderea canalelor de Na+ si astfel la
hiperpolarizarea relativa. Aceasta se realizeaza prin mentinerea canalelor de Na+
deschise in repaus datorita unei concentratii intracelulare mari de GMPc. Prin
activarea fosfodiesterazei specifice (PDE), GMPc este transformat in 5’-GMP;
scaderea concentratiei intracelulare a GMPc are drept consecinta inchiderea
canalelor de Na+ de la nivelul segmentului extern. Astfel, in repaus (la
intuneric), concentratia intracelulara a GMPc este neobisnuit de mare,
mentinand deschise majoritatea canalelor de Na+.
Prin aceasta cascada de reactii, canalele de Na+ din membrana plasmatica,
mentinute deschise initial prin legarea GMPc, se vor inchide rapid ca urmare a
scaderii nivelului intracelular al acestuia. Amplificarea aestei cascade este
potentata de catre rodopsina activata, care la randul ei activeaza cateva sute de
molecule de transducina si de PDE, hidrolizand mii de molecule de GMPc pe
secunda. Complexul transducina activa-αGTP se fixeaza pe o PDE specifica
pentru GMPc. Aceasta PDE are la randul ei 3 subunitati proteice, lanturile α, β,
si γ, inegale ca marime.
Canalele de Na+ sunt de asemenea permeabile si pentru ionii de Ca2+,
astfel incat la inchiderea lor influxul de Ca2+ este inhibat, determinand scaderea
acestuia la nivel intracitoplasmatic. Scaderea Ca2+ stimuleaza guanilatciclaza sa
produca GMPc, aducand rapid celulele in starea in care se aflau inainte de
excitatia luminoasa.
PDE ramane activa atata timp cat subunitatile gama raman disociate de
subunitatile alfa si beta. Dar insasi transducina alfa este o GTP-aza ce
hidrolizeaza lent GTP-ul care o activeaza. Hidroliza GTP la GDP elibereaza
subunitatea gama, care se poate lega ulterior inactivand PDE.
Pe de alta parte se cunoaste existenta unor mecanisme compensatoare de
blocare a sistemului de hidroliza al GMPc, cel mai important fiind legat de
actiunea combinata a doua protein-enzime specifice, rodopsinkinaza si arestina.
Cursul 5
11
Sistemul gustativ
Papilele gustative sunt stucturi complexe situate pe limba si distribuite dea
lungul mucoasei orofaringiene. Este acceptat faptul ca diferitele modalitati de
receptie gustative sunt distribuite inegal pe limba. Gustul acru este descris de
obicei ca fiind pe marginile limbii, in timp ce gustul amar este posterior. Gustul
dulce si sarat sunt situate in partea anterioara.
Exista dovezi ca detectarea gustului acru este mediata prin blocarea
membranei apicale a canalului de K+ dependent de voltaj de catre ionii de H+
(Fig. 5-9). Ionii de Na+ intra pasiv in celula prin aceste canale ce pot fi blocate
de catre amilorid (diuretic care economiseste K+). O ATP-aza Na+/K+
dependenta de pe membrana bazolaterala a celulelor pompeaza Na+ in afara
celulei. Detectarea gustului dulce poate implica activarea adenilat-ciclazei, si
generarea de AMPc intracelular, care inchide canalele de K+ dependente de
voltaj. In ambele cazuri, rezultatul este influxul de ioni de Ca2+ in celula.
Fig. 5-9 – Mecanismul de detectare al gustului.
Olfactia
Celulele senzoriale din mucoasa olfactiva transmit diferitele caracteristici
ale mirosului. Axonii lor trec prin lama cribriforma catre bulbul olfactiv (fig. 5-
10). De aici informatia ajunge la cortexul olfactiv pe calea tractului olfactiv si
apoi este transmisa la hipotalamus, amigdala, apoi talamus si in final la cortex
(lobul frontal).
Simtul gustativ poate fi pierdut in tulburari circulatorii, malformatii, corpi
straini, tumori, hematoame sau abcese. Senzitivitatea celulelor senzoriale este
Cursul 5
12
stimulata de estrogeni si scade la oamenii in varsta. De asemenea ea este scazuta
in cadrul anomaliilor genetice, dupa administrarea de anumite medicamente sau
toxine.
Fig. 5-10 – Tulburari olfactive.
Axonii celulelor senzoriale pot fi distrusi prin fractura lamei ciuruite a
etmoidului.
Cursul 6
Celula postsinaptica
In capitolul precedent am prezentat cativa dintre neurotransmitatorii si
neuromodulatorii pe care capatul presinaptic ii elibereaza in fanta sinaptica. In
acest capitol vom observa ce efect au aceste substante asupra celulei
postsinaptice.
Sinaptozomii
Sinaptozomii pot fi obtinuti in SNC prin omogenizare in solutie de
sucroza tamponata si centrifugare ulterioara in gradient de densitate. Una din
fractiunile centrifugate contine terminatii nervoase rupte sau sinaptozomi.
Examinarea microscopica arata ca ei contin nu numai portiuni din membrana
presinaptica ci si o portiune a membranei postsinaptice. Acest lucru aduce
dovezi clare ca exista un material adeziv intre cele doua membrane.
Sinaptozomii s-au dovedit a fi de o importanta considerabila in cercetarile
de neurobiologie. Chiar daca ei sunt butoni terminali rupti, membrana lor
delimiteaza un sac ce contine mitocondrii, vezicule, neurotransmitatori, enzime
si alte elemente. Cand sunt incubati intr-un mediu fiziologic adecvat, ei
“respira” si o pompa activa Na+-K+ dependenta asigura un potential de repaus (-
30,-60mV). Cand sunt depolarizati din punct de vedere electric sau cand sunt
tratati cu agenti depolarizanti, sinaptozomii pot elibera neurotransmitatori in
mediul de incubare. Natura acestor neurotransmitatori variaza in functie de
regiunea de unde au fost obtinuti sinaptozomii. Astfel, sinaptozomii cerebrocorticali
eliberaza GABA, glicina, glutamat, aspartat; sinaptozomii derivati din
corpul striat sunt bogati in dopamina; cei derivati din maduva sunt bogati in
glicina.
In figura 6-1 se observa nu numai faptul ca o parte a membranei
postsinaptice adera la capatul presinaptic, dar si faptul ca ea poarta densitatea
postsinaptica.
Fig. 6-1 - Sinaptozomul
Cursul 6
Densitatea postsinaptica
Daca sinaptozomii sunt supusi actiunii unor detergenti puternici cum ar fi
Triton X, membranele pre- si postsinaptice sunt eliberate de restul complexului.
Acestea, numite membrana plasmatica sinaptica (SPM), pot fi ulterior izolate de
celelalte elemente ale sinaptozomului prin centrifugare in gradient de densitate.
Densitatea postsinaptica (PSD) (fig. 6-2) este o structura submembranara
specifica unde receptorii neurotransmitatorilor sunt conectati la citoschelet si la
molecule de semnalizare.
Densitatea postsinaptica reprezinta un complex multiproteic asociat
receptorilor de la nivelul membranelor sinaptice din sistemul nervos central.
Identificarea si caracterizarea proteinelor prezente in PSD, a interactiunilor
dintre ele, si cu alte proteine din celula, si a funtiilor acestora prezinta un interes
major al neurobiologiei deoarece aceste informatii pot oferi o intelegere
fundamentala a mecanismelor moleculare care sta la baza proceselor complexe
din creier (fig 6-3).
F
ig. 6-2 – Densitatea postsinaptica
roteinele si polipeptidele specifice SPM si PSD pot fi analizate prin
electro
culare mai
mari d
sitatile
postsi
P
foreza in gel de poliacrilamida. In ambele cazuri gelul arata un numar
mare de benzi indicand faptul ca exista o varietate mare de proteine.
Un grup mare de molecule din fanta sinaptica au masele mole
e 65kDa si ele sunt glicoproteine. Exista dovezi ca aceste molecule sunt
caderine. Aceste molecule sunt importante pentru mecanismul prin care neuronii
isi gasesc pozitia favorabila in cadrul SNC. Probabil ca ele sunt implicate in
imobilizarea membranelor pre- si postsinaptice si stabilirea complexului.
O alta familie importanta de molecule, intalnita in special in den
naptice ale sinapselor excitatorii glutaminergice, apartine familiei de
molecule PSD-95 (fig. 6-4) . Aceasta familie de proteine contine domenii
multiple PDZ ce le permite sa se ataseze la alte proteine si polipeptide pentru a
forma complexe supramoleculare.
Cursul 6
posts aptica – Focalizare la nivelul densitatii
postsi
e considera ca receptorul-canal NMDA joaca un rol central in
plastic
Fig. 6-4 - PSD-95. PSD-95 apartine superfamiliei
Celelalte proteine ale densitatii postsinaptice par a fi mai mici, avand
masel
Fig. 6-3 – Densitatea in
naptice – diagrama simplificata a proteinelor componente.
S
itatea sinaptica, deoarece influxul de Ca indus prin deschiderea sa
declanseaza cascade semnalizatoare prin activarea enzimelor prezente la nivelul
PSD, precum CaMKII. Structural, receptorul este format dintr-un ansamblu de
patru subunitati – o unitate principala NR1 si trei unitati modulatorii NR2.
Cateva din subunitatile de tip NR2 interactioneaza cu primul si al doilea
domeniu PDZ ale proteinei PSD-95.
de proteine MAGUK (membrane associated
guanylate kinase). NR-2 C-term leaga primul
domeniu PDZ (rosu) al PSD-95. Cu mov este
prezentat un domeniu inactiv al guanilat kinazei.
e moleculare cuprinse intre 40kDa si 55kDa. Exista de asemenea dovezi ca
sunt prezente proteine fibroase, cum ar fi actina, tubulina, fodrina si
neurofilamentele sunt constituenti ai acestei retele.
Cursul 6
Interactiunea receptorilor glutamat cu proteinelor
densi
eine intalnita in cadrul densitatii postsinaptice
(PSD)
densit ilor postsinaptice.
cu proteine continand domenii PDZ incluzand
􀀹
de schelet (“scaffold”) (membrii familiei
Sinap
inapse excitatorii este jonctiunea neuromusculara
coline d Ach este eliberata din capatul presinaptic si
ajunge
tatilor postsinaptice
Distributia mare de prot
interactioneaza pentru a forma semnalul de transductie glutaminergic.
Astfel de interactiuni guverneaza activitatea dependenta si independenta a tintirii
receptorilor ce este importanta pentru plasticitatea sinaptica.
Fig. 6-5 - Interactiunea receptorilor glutamat cu proteinelor
at
􀀹 Receptorii AMDA (α-amino-3hidroxi-5metil-4-izoxazonol)
interactioneaza
membrii familiei PSD-95 - PICK-1, ABP si GRIP1, ce sunt
importanti pentru tintirea membranelor si legarea receptorilor de
enzimele intracelulare.
Receptorii NMDA (N-metil-D-aspartat) sunt ingramaditi in PSD
prin legare de proteine
PSD-95, λ-actinina), care la randul lor leaga molecule efectoare
(CRIPT, SPAR, citron), proteine citoscheletice (F-actina, MT, NFL)
si enzime reglatorii (nNOS, Src, CaMKII).
sa excitatorie
Exemplul tipic al unei s
rgica la vertebrate. Can
la receptorul nAchR (nicotinic Ach receptor), un flux de Na+ si K+
traverseaza membrana postsinaptica (fig. 6-6).
Cursul 6
Fig. 6-6 – Fluxul ionilor de Na+ si K+ prin membrana postsinaptica a
unei sinapse colinergice. Na+ si K+ circula conform gradientelor lor
electrochimice.
In cadrul jonctiunii neuromusculare, se initiaza circuite locale de la
potentialele placii motorii (EPP–end plate potentials) la alte parti ale sarcolemei,
unde daca intalnesc canale dependente de Na+ vor initia un potential de actiune.
In mod similar, pentru sinapsele centrale circuitele locale ce pornesc de la
potentialul excitator postsinaptic (EPSP-excitatory postsynaptic potential) vor
deschide orice canal de Na+ din membrana neuronala. In general, canalele de
Na+ nu sunt intalnite in membrana dendritica ci doar in axolema. Canalele de
Na+ dependente de voltaj sunt distribuite dens in segmentul initial al axonului.
Aici este locul unde circuitele locale ce pornesc de la EPSP isi fac simtita
prezenta (fig. 6-7).
Fig. 6-7 – Circuitele locale ce
pornesc de la un EPSP. – Activarea
unei sinapse excitatorii (E) duce la
depolarizarea membranei
postsinaptice. Circuitele locale pleaca
din aceasta regiune (sageata) si
afecteaza segmentul initial al
axonului. Daca aceste circuite sunt
suficient de puternice va fi initiat un
potential de actiune de-a lungul
axonului.
Cursul 6
Exista intotdeauna mecanisme in fanta sinaptica ce inactiveaza
neurotransmitatorul. In cazul sinapselor colinergice, acest mecanism este
reprezentat de enzima acetilcolinesteraza (AchE) ce rupe Ach in 2 parti –
acetatul si colina. Colina este pompata inapoi in capatul presinaptic si folosit din
nou pentru sinteza de Ach. Acest fenomen este aproape general.
Neurotransmitatorilor excitatori nu le este permis sa stea in apropierea fantei
sinaptice. Ei sunt fie inactivati de catre o enzima specifica sau sunt pompati
inapoi in capatul presinaptic.
Sinapsa inhibitorie
Cel mai cunoscut neurotransmitator inhibitor este acidul γ-amino-butiric
(GABA) si glicina. Acesti neurotransmitatori sunt sechestrati in vezicule mici in
capatul presinaptic.
Cand un potential de actiune ajunge la capatul inhibitor,
neurotransmitatorul este golit in fanta sinaptica. Atunci cand ajunge la
membrana sinaptica, are loc mai degraba o hiperpolarizare decat o depolarizare.
Acest lucru este cunoscut ca un potential postsinaptic inhibitor (IPSP) (fig. 6-8).
Receptorul glicinei (GlyR) este un complex transmembranar oligomeric
dintre care o proteina transmembranara de 48kDa este considerata a forma un
canal pentru ionii de Cl-. O proteina submembranara de 98kDa ancoreaza
receptorul sau la o retea citosheletica a densitatii postsinaptice. Receptorii
glicinei pot fi evidentiati la nivelul situsurilor postsinaptice centrale prin
imunofluorescenta.
Fig. 6-8 – Distributia circuitelor
locale de la un IPSP. Sinapsa
inhibitorie (I) hiperpolarizeaza
membrana dendritica. Circuitele
locale merg in sens invers fata de
cele din figura 6-6 si segmental
initial este in consecinta
hiperpolarizat.
Cursul 6
Alte aspecte ale IPSP sunt analoage cu EPSP. Exista fenomenul de
sumatie temporala si spatiala.
Spre deosebire de potentialele de actiune, potentialele sinaptice sunt
gradate si pot fi insumate. Astfel, are loc sumatia spatiala deoarece numeroase
fibre nervoase presinaptice converg pe un singur neuron postsinaptic. In sumatia
spatiala, EPSP produse la diferite sinapse se insumeaza in dendritele
postsinaptice si corpul celular.
In sumatia temporala, activitatea succesiva a capatului axonului
presinaptic duce la descarcari succesive de neurotransmitatori, ducand la
insumarea EPSP in neuronul postsinaptic. Insumarea EPSP ajuta sa determinam
daca depolarizarea ce ajunge la capatul axonului va fi suficienta de mare pentru
a genera noi potentiale de actiune in neuronul postsinaptic.
Creierul uman contine cel putin 1011celule si pana la 1014sinapse. Putem
presupune ca jumatate din acestea sunt inhibitorii si jumatate excitatorii. Este de
asemenea posibil ca anumiti membrii ai ambelor tipuri de sinapse vor fi activi in
acelasi timp. Circuitele locale se vor raspandi de la IPSP si EPSP prin celula
catre segmentul initial al axonului. Aici ele se vor insuma intr-o maniera
algebrica (fig. 6-9).
Fig. 6-9 – Sumarea algebrica a
circuitelor locale la capatul initial
al axonului generate de sinapse
excitatorii si inhibitorii. E –
sinapsa excitatorie; I – sinapsa
inhibitorie; IS – segmentul initial.
Cursul 6
Sinapsele excitatorii vs. Sinapsele inhibitorii
Fig. 6-10 - Sinapsele excitatorii (E) vs. Sinapsele inhibitorii (I). a) E
– influxul de Na+ depolarizeaza membrana, crescand posibilitatea descarcarii
potentialului de actiune; b) I – Influxul de Cl- tinde sa tina membrana polarizata,
scazand posibilitatea descarcarii unui potential de actiune.
Controlul canalelor ionice prin mesageri secunzi
Multi neurotransmitatori nu deschid direct portile canalelor ionice, dar
lucreaza prin intermediul unor mesageri secunzi. Rezultatul actiunii acestor
mesageri secunzi poate fi afectarea conductivitatii canalelor ionice in alta parte a
membranei postsinaptice, sau in alte parti ale neurilemei celulei postsinaptice.
Canalul de Ca2+ poate fi modulat de catre un mesager secund initiat de
noradrenalina. Secventa evenimentelor este prezentata in figura 6-11. Sinteza
crescuta de AMPc ce urmeaza activarii receptorului β-adrenergic duce la
activarea protein kinazei dependente de AMPc, protein kinaza A (PKA), ce
fosforileaza canalul de Ca2+. Fosforilarea afecteaza conductivitatea canalului. In
acest caz, fluxul de Ca2+ prin acest canal este scazut. Chiar daca aceste canale
sunt putine la numar, efectul lor este totusi important. De exemplu, Ca2+ joaca
un rol crucial in exocitoza neurotransmitatorului si a altor materiale din capatul
presinaptic.
Cursul 6
Fig. 6-11 – Sistem de control prin mesageri secunzi activat de
noradrenalina.
Un alt sistem care implica un mesageri secund interesant este cel conectat
la receptorul colinergic muscarinic (mAchR). Acest receptor este cuplat cu un
sistem de semnalizare prin proteine G. In multe cazuri, acest sistem actioneaza
asupra adenilat ciclazei pentru a genera AMPc; in altele, prin intermediul
fosfolipazei C pentru a produce IP3 (inozitol trifosfat) si DAG (diacilglicerol)
(fig. 6-12). Acest mecanism din urma este de o importanta deosebita deoarece
afecteaza un set particular de canale de K+ din membrana neuronala. Deoarece
ele sunt afectate de activarea receptorului muscarinic, ele sunt numite canale M.
In mod normal canalele M permit iesirea K+ din celula. Ele sunt canale
dependente de voltaj. Pe masura ce membrana se depolarizeaza in timpul unui
EPSP, ele se deschid treptat. Acest lucru sporeste pasajul K+ prin membrana.
Daca totusi aceste canale sunt inactivate, EPSP are o durata crescuta.
Cursul 6
Fig. 6-12 – Influenta
activarii mAchR asupra
initierii impulsului.
Exista de asemenea si canalul de K+ dependent de serotonina (Ks). Acest
canal de K+ permite ionilor de K+ sa treaca prin membrana in exterior.
Potentialul de repaus (Vm) este foarte sensibil la concentratiile K+ din interiorul
celulei si din afara ei. Daca fluxul de K+ este blocat, concentratia externa va
scadea treptat si cea interna va creste. Daca acest fenomen va avea loc,
potentialul de actiune de-a lungul membranei va scadea. Cu alte cuvinte, se va
dezvolta un EPSP lung, ce creste treptat.
Activarea sinapselor serotoninergice are chiar acest rezulat. Efectul este
mediat printr-un mecanism al unui mesager secund implicand AMCc, ce duce la
reducerea numarului de canale deschise de Ks. De notat faptul ca nu se reduce si
conductivitatea canalelor ce sunt deschise.
Concluzii
Acest capitol a accentuat faptul ca membrana postsinaptica prezinta o
importanta la fel de mare ca si cea presinaptica in functionarea sinapselor.
Aceasta regiune este importanta in neurofiziologia procesarii informatiei in
creierul omului adult. Este de asemenea de o importanta deosebita si in
morfogeneza sistemului nervos , in memorie, si atunci cand este “dezactivata”
duce la numeroase boli neurodegenerative.
Cursul 7
NEUROGENEZA LA ADULT
S-a considerat mult timp ca sistemul nervos central nu isi poate inlocui
celulele degenerate. Aceasta incapacitate era pusa pe seama interferentei cu
cicatricile gliale, lipsei factorilor neurotrofici care sustin supravietuirea si
cresterea celulara, prezentei factorilor neurotoxici care impiedica remielinizarea.
Formele de neuroplasticitate cunoscute explicau recuperarea partiala a functiei
unui sistem prin preluarea functiei de catre alte structuri nervoase, prin activarea
unor circuite secundare, prin mecanisme adaptatorii celulare (ex. inmugurirea
sau sproutingul neuronal) sau prin reinvatare.
Cercetari recente au demonstrat ca neuroplasticitatea este sustinuta si la
nivelul producerii si integrarii functionale a unui numar mare de neuroni in
creierul adult. Studierea sistemelor care continua sa produca noi neuroni de-a
lungul vietii poate fi cheia stimularii neurogenezei in creierul lezat (ex: boli
degenerative, epilepsie, traumatisme cranio-cerebrale severe, accidente vascularcerebrale),
dar exista dovezi si asupra implicarii neurogenezei ca suport specific
al memorarii si invatarii.
Revenind la definitia pe care am propus-o la inceput pentru
neuroplasticitate, notam ca si neurogeneza la adult are drept scop tot
optimizarea functionala a sistemului nervos. Conceptul de neuroplasticitate
evolueaza pe mai multe dimensiuni. Se remarca dimensiuni ale manifestarilor
neuroplastice, fiind cunoscute astazi fenomene de plasticitate sinaptica si
plasticitate neuronala sub forma de neurogeneza si cresteri ale numarului sau
dimensiunii prelungirilor neuronale ce sustin modificarile continue ale hartilor
corticale ca suport al exercitiului invatarii si memoriei. Mai distingem o evolutie
a acestui concept de neuroplasticitate pe dimensiunea temporala in perioada de
dezvoltare si in viata adulta. De asemenea, neuroplasticitatea poate fi studiata in
functie de nivelul de actiune, cercetarile pivotand de la neuroplasticitatea
sistemelor cerebrale, la cea a retelelor neuronale, a celulelor nervoase
individuale si a resorturilor moleculare ce se moduleaza in urma procesarilor
specifice invatarii si memoriei. In fine, neuroplasticitatea permite flexibilitatea
reactiilor structurale si functionale solicitate de scopuri diferite:
neuroplasticitatea compensatorie, care se manifesta pentru repopularea unor
zone degenerate, reconstructia sau preluarea functiei unor circuite neuronale
perturbate si neuroplasticitatea constructiva, care asigura suportul nervos pentru
realizarea invatarii si memoriei.
Initial, se credea ca neurogeneza, procesul de generare al neuronilor
integrati din punct de vedere functional din celule progenitoare, are loc doar in
timpul etapelor embrionare ale sistemului nervos central (SNC) al mamiferelor.
1
Cursul 7
Insa descoperiri recente au aratat ca noi neuroni apar in regiuni discrete ale
mamiferelor adulte. La majoritatea mamiferelor, neurogeneza apare in timpul
vietii in zona subventriculara (SVZ) a ventriculului lateral si in zona
subgranulara (SGZ) a girusului dentat din hipocampus. Neurogeneza apare
extrem de rar in afara acestor regiuni sau chiar nu exista. Dupa stimularea
patologica, cum ar fi leziuni ale creierului, neurogeneza la adult apare si in
regiuni considerate non-neurogenetice.
Metode de investiare a neurogenezei la adult
Analiza neurogenezei endogene la adult in vivo
1. Analiza bazata pe incorporarea de nucleotide analoge in timpul
diviziunii celulare
In timpul replicarii ADN-ului in faza S a ciclului celular, nucleotidele
exogene de tipul timidinei sau 5-bromodeoxiuridina (BrdU) sunt incorporate in
ADN-ul nou sintetizat si apoi transmise la celulele viitoare (fig. 7-1). Doi
analogi diferiti pot fi folositi secvential pentru a masura lungimea ciclului
celular. Aceasta tehnica simpla permite analiza cantitativa a proliferarii,
diferentierii si supravietuirii celulelor nou formate. BrdU poate fi detectat
imunohistochimic si permite atat analiza fenotipica cat si cuantificarea
stereologica a celulelor noi.
Fig. 7-1 – Analiza bazata pe
incorporarea de nucleotide analoge
in timpul replicarii ADN-ului in faza
S a ciclului celular.
Exista totusi cateva limitari ale acestei abordari. In primul rand, necesita
fixarea tesutului si denaturarea ADN-ului si astfel nu este potrivita pentru
analiza celulelor vii. In al doilea rand, marcarea celulelor este restrictionata doar
2
Cursul 7
la nucleu si necesita microscopie confocala pentru a confirma colocalizarea cu
diferiti markeri celulari specifici (fig. 7-2).
Fig. 7-2 – Co-localizarea BrdU cu
diferiti markeri specifici: DCX –
pentru neuroni imaturi; NeuN pentru
neuroni maturi.
In al treilea rand, cantitatea de analogi nucleotidici incorporata dentr-o
singura injectie este diluata catre nivele nedetectabile dupa cateva diviziuni
celulare.
2. Analiza bazata pe marcarea genetica cu retrovirusi
Expresia transgenelor din retrovirusi necesita integrarea virala in genomul
gazdei. Pentru retrovirusuri ce nu poseda mecanisme de import nucleare, cum ar
fi in cazul virusul leucemiei murine, integrarea virala are loc doar atunci cand
membrana nucleara se rupe in timpul mitozei, fiind astfel un bun indicator al
diviziunii celulare (fig. 7-3).
Fig. 7-3 - Analiza bazata pe marcarea
genetica cu retrovirusi.
3
Cursul 7
Expresia GFP (proteina fluorescenta verde) permite vizualizarea directa si
analiza celulelor nou formate. Acesta tehnica necesita insa injectarea invaziva in
regiuni specifice ale creierului.
3. Analiza bazata pe expresia unor markeri specifici
Neuronii in curs de dezvoltare exprima markeri distincti in timpul
procesului lor de maturare. Dintre markerii comuni folositi pentru neuronii
imaturi putem aminti PSA-NCAM (poly-sialytated-neuronal cell-adhesion
molecule), Tuj1 (β tubulina izoforma III) si DCX (doublecortin). Markerii
folositi pentru neuronii maturi includ MAP-2ab (microtuble-associated protein-2
formele a si b) si Neu N (nuclei neuronali). Neuronii nou formati pot fi
identificati prin prezenta de markeri imaturi si absenta de markeri maturi ai
neuronilor.
Un progres important in neurogeneza la adult l-a constituit generarea de
modele animale ce permite vizualizarea si manipularea specifica a neuronilor
nou formati in SNC adult (fig. 7-4).
Fig. 7-4 - Analiza bazata pe expresia unor
markeri specifici.
Au fost generati cativa soareci transgenici pentru a exprima genele
specifice interesate sub actiunea unui promotor ales. De exemplu, soarecii adulti
ce exprima GFP sub controlul regiunilor reglatorii ale genei Nestin (marker
neuronal timpuriu) arata atat progenitorii naturali cat si neuronii imaturi.
Analiza fenotipica a celulelor nou formate necesita examinarea colocalizarii
markerilor specifici celulari. Deoarece celulele sunt strans legate intre
ele in SNC adult, metoda actuala isi propune reconstructia tridimenionala cu
ajutorul mocroscopiei confocale (vezi fig. 7-2). Microscopul electronic a fost
utilizat de asemenea pentru a arata ultrastructura celulelor nou formate.
Analiza neurogenezei la adult in vitro si ex vivo
Progenitorii neuronali multipotenti au fost izolati din regiuni variate ale
SNC adult al mamiferelor. Aceste celule au fost dezvoltate si modificate genetic
si pastreza in continuare capacitatea lor multipotenta de-a lungul mai multor
4
Cursul 7
generatii. Datorita accesibilitatii usoare si conditiilor de cultura definite,
manipularea progenitorilor neuronali adulti in monostrat permite analiza precisa
a mecanismelor intrinseci si extrinseci ce controleaza etapele variate ale
neurogenezei, incluzand proliferarea, supravietuirea, soarta, migrarea neuronala,
maturarea si formarea sinapselor.
Culturile progenitorilor neuronali din SNC adult sunt stabilite in mare
masura pe baza cresterii preferentiale fata de alte alte tipuri de celule in medii de
cultura definite cu factori de crestere specifici (fig. 7-5).
Fig. 7-5 – Metodologia pentru analiza neurogenezei adulte in vitro si ex
vivo. Progenitori neuronali multipotenti au fost cultivati din regiuni variate ale
SNC adult.
5
Cursul 7
Celulele extrase din tesuturile specifice sunt plasate fie direct, sau dupa o
purificare partiala in prealabil pentru a inlatura contaminantii majori. Metodele
de izolare prospectiva folosind sortarea celulelor fluorescent-active (FACS) au
fost dezvoltate recent pe baza proprietatilor celulelor. Se folosesc doua tipuri de
culturi celulare progenitoare. In culturile neurosferice, progenitorii neuronali
individuali prolifereaza pe un substrat non-adeziv si genereaza un grup de celule
suspendate. In culturile adezive, progenitorii neuronali cresc in monostrat pe
laminina. Cei mai frecventi factori de crestere folositi pentru a mentine
reinnoirea progenitorilor neuronali adulti cultivati sunt EGF (factorul de crestere
epidermal) si FGF-2 (factorul de crestere al fibroblastilor).
Neurogeneza activa are loc doar in regiuni discrete ale SNC adult intact.
Neuronii sunt generati continuu in zona subventriculara (SVZ) si migreaza
anterior de-a lungul retelei migratorii rostrale (RMS) catre bulbul olfactiv pentru
Fig. 7-6 – Generarea de noi int
a deveni interneuroni (fig. 7-6).
erneuroni in bulbul olfactiv din celule stem
eurogeneza la adult in zona subventriculara/sistemul olfactiv prezinta
patru
liferarea: celulele stem (albastru) din zona subventriculara a
ventri
tierea: celulele amplificatorii tranzitorii se diferentiaza in
neuron
neuronale din zona subventriculara.
N
etape:
1. Pro
culului lateral dau nastere la celule amplificatoare tranzitorii (albastru
deschis).
2. Diferen
i imaturi (verde). Celulele ependimale adiacente (cenusiu) ale
ventriculului lateral sunt esentiale pentru stabilirea soartei neuronilor prin
furnizarea de inhibitori de glicogeneza.
6
Cursul 7
3. Migrarea: Neuronii imaturi (verde) migreaza in lant de-a lungul retelei
migratorii rostrale catre bulbul olfactiv. Odata ajunsi la bulb, noii neuroni
migreaza radial catre straturile celulare exterioare.
Cum pot insa aceste celule sa se miste si sa se orienteze de-a lungul unor
distante atat de mari si sa traverseze parenchimul dens al creierului adultului?
In zona subventriculara adulta (SVZ) si in RMS, celulele A (galben) au o
morfologie elongata cu un proces proeminent (fig. 7-7).
Fig. 7-7 - Migratia in lant – neuronii tineri din reteaua SVZ si din RMS
lanturile reconstituite in vitro, neuroblastii se deplaseaza cu pasi
marun
ntiaza fie in neuroni
granul
dendritici.
migreaza alaturi cu formarea de lanturi lungi. Lanturile de celule migratorii
(rosu) sunt flancate de catre celulele gliale (albastru) ce au caracteristici de
astrocite. Aici sunt ilustrate 2 lanturi.
In
ti la o viteza de ~120μm/h. Mecanismul celular ce propulseaza neuronii
tineri cu o astfel de viteza nu este cunoscuta. Este posibil ca polimerizarea
microtubulilor si depolimerizarea sa joace un rol important. Dublucortina
(DCX), o proteina asociata microtubulului este exprimata predominant de catre
celulele din lanturile retelei migratorii rostrale, sugerand ca migrarea catre
bulbul olfactiv (OB) la adult presupune mecanisme moleculare cheie
asemanatoare celor care au loc in dezvoltarea embrionara.
4. Integrarea sinaptica: neuronii imaturi se difere
ari (portocaliu), fie neuroni periglomerulari (rosu). Acesti interneuroni
neobisnuiti nu au axon, si in schimb elibereaza neurotransmitatorul din spinii
7
Cursul 7
Neurogeneza hipocampica la primatele adulte
Neurogeneza la adult a fost semnalata prima data la rozatoare, unde
neuronii granulari sunt generati de-a lungul vietii dintr-o populatie de celule
progen dentat. Aceste celule
migreaza pana in stratul celulelor granulare, se diferentiaza si exprima fenotipuri
neuron
iune transversala a
hipocam jore: DG (girusul dentat),
EC (cortexul entorinal), S (subiculum); Jos – celulele progenitoare neruonale
(NPCs) sunt distribuite de-a lungul zonei subgranulare (SGZ), la granita dintre
atta care aveau intre 5 si 23 de ani au primit injectii
intraperitoneale de 5-bromodeoxiuridina (BrdU, ex. un analog al timinei care
este in
itore prezenta in zona subgranulara a girusului
ale (fig. 7-8).
Fig. 7-8 – Neurogeneza in girusul dentat adult – Sus - sect
pului ilustrand diviziunile citoarhitectonice ma
stratul celular granular (GCL) si hil (H); ML-strat molecular; MF-fibre
muschioase.
Gould et al (1999) au investigat in ce mod neurogeneza la adult se
produce si la primate. Unsprezece maimute adulte Maccaca fascicularis si
Maccaca mul
corporat de celule in faza S, de sinteza a ADN, a diviziunii mitotice). Erau
considerati adulti tineri indivizii maturi sexuali (4 ani fem./masc.), dar care nu
au atins greutatea corporala maxima (6 ani fem./9 ani masc.) si adulti de varsta
medie indivizii care au trecut de perioada greutatii corporale maxime. Pentru
8
Cursul 7
identificarea fenotipului celulelor, s-a realizat marcarea dubla cu BrdU si cu
markeri specifici celulari (ex. TOAD-64, pentru celulele in curs de diviziune,
NSE, NeuN si calbidina pentru neuroni si GFAP pentru celule gliale) si
examinarea prin metode imunocitochimice pentru acesti markeri. Intervalul
dintre ultima injectie BrdU si prelevarea sectiunilor a variat de la 2h, perioada
suficienta pentru ca BrdU sa fie preluat de celulele in faza S, dar insuficient
pentru mitoza sau migrare, la 1-2 saptamani, pentru maximizarea sansei de a
observa celule noi (BrdU pozitive) care exprima markerii neuronali si
minimizarea probabilitatii ca aceste celule sa moara in interval.
Rezultatele au indicat ca, la toti indivizii, celulele BrdUp pot fi observate
in girusul dentat, in zona subventriculara (SVZ) aliniata la peretele ventriculilor
laterali si intr-o regiune corespunzatoare retelei migratorii rostrale (RMS).
identificate in zona subgranulara si in hilus. In general, tinerii adulti prezinta mai
multe
are reduce neurogeneza la adult. O
posibilitate este ca scaderea neurogenezei adulte in functie de varsta sa fie
media
dezvoltare, majoritatea neuronilor fiind deja prezenti in a saptea luna de gestatie
si des n studiu al lui Eriksson et al
La lotul la care sectiunile au fost prelevate la 2h dupa ultima infuzie
BrdU, celulele BrdUp erau observate ocazional in reteaua migratorie rostrala,
girusul dintat si zona subventriculara, iar grupuri mici de celule BrdUp erau
celule BrdUp in girusul dintat fata de maimutele de varsta medie sau
senescente (23 ani). La animalele sacrificate la 1-2 saptamani dupa ultima
injectie, celulele noi (BrdU/TOAD-64, NSE, NeuNp, dar nu BrdU/GFAPp) erau
prezente in aspectul profund al girusului dentat in proportii variind de la 780 la
4308 celule; multe din celule prezentau caracteristicile morfologice ale
neuronilor granulari, ex. corpuri celulare de marime medie, rotunde sau ovale.
La animalele care au primit injectii multiple de BrdU, numarul mediu de celule
BrdUp era semnificativ: 1230 celule BrdUp in curs de diviziune (TOAD-64p),
822,1 celule BrdUp cu fenotip neuronal (NSE, NeuNp), 793 celule BrdUp cu
fenotip neuronal granular (calbidinap). Celulele noi in curs de diviziune
prezentau caracteristicile morfologice ale neuronilor granulari, inclusiv dendrite
care se extindeau prin stratul molecular.
Analizele stereologice au relevat scaderea numarului de celule
BrdU/TOAD-64p cu inaintarea in varsta. Se stie ca stresul determina cresterea
nivelului glucocorticoizilor circulanti c
ta tot de cresterile asociate ale glucocorticoizilor. Nu s-au observat
diferente intre distributia celulelor BrdUp sau TOAD-64p intre cele doua specii.
Neurogeneza in hipocampul uman adult
Generarea de neuroni se credea ca este limitata la o perioada discreta de
avarsindu-si migrarea in viata prenatala. U
9
Cursul 7
(1998
acienti cu cancer care primisera o injectie cu BrdU in scopuri
diagnostice (ex. pentru monitorizarea metastazelor). Celulele BrdUp au fost
cuanti
) confirma neurogeneza la adult ca pe o forma de neuroplasticitate
prezenta si la om.
S-a prelevat post-mortem tesut hipocampic si din SVZ adiacenta nucleului
caudat de la cinci p
ficate in stratul granular, zona subgranulara a girusului dentat si in hilus
(ex. aria CA4). Variatia inter-individuala a numarului de celule BrdUp a fost
determinata de diferenta intervalului post-infuzie (16-781 zile) si varsta diferita
a subiectilor (57-72 de ani).
Celulele gliale stelate cu nuclei neregulati si corpi celulari mici
(BrdU/GFAPp:18,1+1,8%) erau prezente in jurul neuronilor, dar nu coincideau
cu celulele BrdUp cu fenotip neuronal. Acestea din urma erau localizate in
stratul granular sau in apropierea acestuia, prezentau corpi celulari mici sau
medii cu nuclei rotunzi sau ovali; proportia medie de celule noi cu fenotip
neuronal era de 22,0+2,4%, iar numarul celulelor BrdU/NSEp (neuroni) si
BrdU/calbidinap (neuroni granulari) era de 22,7+2,8%, respectiv, 7,9+2,2%.
In zona subventriculara, toate sectiunile au continut celule BrdUp, dar nu
au exprimat markerii specifici celulelor post-mitotice. Aceste celule noi au un
nucleu mic rotund sau oval, similare cu progenitorii observati la SVZ a
rozato
eze pentru a se putea diferentia.
Unele studii (Altman et al, 1965, 1967) indicau o corelatie interesanta
intre c rea
repetata a drumului, comportamentele de extindere a teritoriului care se sprijina
pe ab
h/1-3 saptamani s-au prelevat
sectiuni din cortexul prefrontal, cortexul temporal inferior, posterior parietal
arelor.
Deci SVZ umana contine populatii mari de celule pluripotente care e
nevoie sa migr
Neurogeneza corticala la adult: un posibil suport pentru invatare
omportamente complexe (ex. construirea cuibului care solicita reface
ilitati spatiale complexe) si neurogeneza. Intensificarea ciclurilor
neurogenice se coreleaza cu cresteri ale performantei. Dat fiind rolul cunoscut
al hipocampului in sarcinile de memorare si invatare, s-a sugerat ideea ca
neurogeneza la adult ar asigura un suport pentru sarcinile de invatare dependente
de hipocamp. Ulterior, cercetarile efectuate la pasari adulte au aratat ca
neurogeneza se produce si in hiperstriatum, o structura omoloaga cortexului
cerebral de la mamifere. Pe aceste premise, evidentierea neurogenezei
neocorticale la mamiferele adulte era previzibila.
Experimentele s-au realizat la 12 maimute Maccaca fascicularis adulte
care au fost injectate cu BrdU. La intervale de 2
10
Cursul 7
(locali
aliniate cu peretele ventriculilor
laterali. Aceste celule precursor originare in SVZ migreaza ca neuroblasti prin
substa
reaza in
circuite locale. Deci neuroblastii se diferentiaza, se agrega si devin functionali
numai
ca
substrat specific pentru invatare. Adaugarea de noi neuroni neocortexului in
timpu
invatarii si memorarii la nivel celular. In aceasta etapa, eforturile
teoretice de sinteza si elaborarea unor modele alternative care sa incerce
explic
zari implicate in procesari cognitive laborioase) si cortexul striat (unde se
realizeaza procesarea primara a stimulilor vizuali) care au fost analizate prin
metode histochimice pentru markerii celulari.
La animalele la care sectiunile s-au prelevat la 2h dupa injectia BrdU,
celulele BrdUp au fost localizate in SVZ,
nta alba catre regiunile din neocortex unde se diferentiaza in neuroni
maturi. La animalele la care s-au prelevat sectiuni la 1-3 saptamani dupa injectia
BrdU, s-au observat celule cu nuclei ovali sau rotunzi, cu morfologie specific
neuronala, in cortexul prefrontal, posterior parietal si temporal inferior, precum
si in substanta alba din portiunea intermediara SVZ-zona neocorticala. In
cortexul striat s-au identificat celule gliale noi, dar nici un neuron nou.
Prin metoda etichetarii retrograde, s-a determinat ca celulele nou generate
si care au migrat in respectivele zone corticale isi extind axoni si se integ
in zonele implicate in procesari cognitive laborioase. Oferim drept
posibila explicatie faptul ca neurogeneza depinde si de actiunea neurotrofinelor
care, asa cum am vazut, actioneaza preferential asupra sinapselor activate.
Zonele prefrontala, parietala si temporala inferioara sunt implicate in
plasticitatea comportamentala. Neuronii noi adaugati acestor zone pot servi
l vietii adulte asigura un continuum de neuroni de diferite “varste”, care ar
putea forma complexul neuronal al dimensiunii temporale a memoriei (Gould,
1999).
Descifrarea neurogenezei adulte pare sa readuca, cel putin temporar,
teoriile
area felului in care neurogeneza la adult sustine invatarea pot debloca
cercetarea.
11
Cursul 8
Memoria
Cu 65 de ani in urma, un mare cercetator, E.R. Hilgrad, a spus: “Este un
aspect negativ al stiintei faptul ca dupa atatia ani de cercetare cunoastem putin
despre componentele fiziologice ale invatarii”. A trecut mai mult de jumatate de
secol de cand aceste cuvinte au fost scrise. Sunt 65 de ani in care cercetarile au
fost indreptate catre descoperirea “componentele fiziologice ale invatarii”.
Surprinzator, stim destul de putin despre ceea ce se intampla in creier, despre
cum se desfasoara procesul de invatare si memorare. Oricum, in ultimii anii au
aparut numeroase noutati in domeniu. Orizontul incepe sa fie mai luminos.
Poate, in prima decada a secolului XXI am inceput cu adevarat sa speram ca
vom gasi o solutie in acest domeniu. Mai mult, speranta vine din studiile
efectuate la nivel molecular si biofizic.
Solutia, in ceea ce priveste memoria, se bazeaza pe o mare capacitate de
sinteza a cunostintelor din domeniul neurobilogiei. Aceasta implica fluxul de
ioni, mesagerii secundari, supresia genelor, proteinele canal, structura
membranei. Sunt de asemenea implicate nivele dincolo de structura moleculara
si ultrastructurala. La mamifere, anatomia complexa a creierului este puternic
implicata. Sunt de asemenea implicate retele neuronale interesand mii daca nu
milioane de neuroni, milioane daca nu miliarde de sinapse.
Definitii
Memoria este un proces prin care oamenii si alte organisme codifica,
inmagazineaza si refolosesc informatii.
Memoria este un proces psihic de reflectare a experientei anterioare prin
fixarea (intiparirea si pastrarea), recunoasterea si reproducerea imaginilor
senzoriale, ideilor, starilor afective sau miscarilor din trecut.
Procesele memoriei se desfasoara atat in legatura cu reflectarea senzoriala
cat si in legatura cu procesele de gandire si de limbaj, la unii oameni
predominand memoria senzorial-intuitiva, la altii cea verbal-abstracta.
Recunoasterea si reproducerea, ca procese ale memoriei sunt conditionate
de procesul fixarii, al memorarii.
Memorarea poate fi intentionata (voluntara) sau neintentionata
(involuntara). Recunoasterea se realizeaza in prezenta stimulilor senzoriali sau
verbali care au actionat si anterior, in vreme ce reproducerea se realizeaza in
lipsa acestor stimuli. De aceea, in general recunoasterea se realizeaza mai lesne
decat reproducerea. Fenomenul invers memorarii este uitarea, care se manifesta
prin incapacitatea de a reproduce sau de a recunoaste, iar uneori prin
reproducere sau recunoastere eronata. Se pot diferentia memorarea logica si
memorarea mecanica, dar specifica pentru om este memorarea logica, bazata pe
intelegerea celor memorate.
Cursul 8
Din punct de vedere neurofiziologic memoria poate fi explicata intre
altele prin plasticitatea mare a sistemului nervos si in special a emisferelor
cerebrale, ca urmarea a excitatiilor provenite din scoarta cerebrala dupa ce
stimulii au incetat sa actioneze prin fixarea legaturilor conditionate care sunt cu
atat mai consolidate, cu cat asocierile au fost repetate mai mult. In desfasurarea
memoriei intervin diferite tipuri de asociatii : asociatia prin contiguitate in spatiu
si timp, asociatia prin asemanare si cea prin contrast. Caracteristice pentru
memoria umana sunt mai ales asociatiile logice, bazate indeosebi pe relatiile de
cazualitate.
Termenul memorie si invatare sunt destul de greu de delimitat, intrucat au
multe aspecte comune. Sa incercam in cele ce urmeaza sa precizam sferele celor
doua notiuni. Am vazut mai sus ca memoria este procesul psihic constand in
retinerea, pastrarea, reproducerea unor fapte din experienta noastra anterioara.
Sa vedem acum prin ce se caracterizeaza invatarea :
A) In timp ce memoria este, in special, o modalitate de reflectare,
invatarea se defineste in special ca o activitate prin care ne fixam cunostintele in
memorie.
B) Invatarea este o activitate mai complexa decat simpla memorare.
Invatarea implica un efort de intelegere, de sistematizare si de organizare a
cunostintelor, exercitii de utilizare a acestora in practica.
C) Invatarea acopera o arie mai larga de fenomene decat simpla
memorare. Astfel, de exemplu, un elev rezolvand probleme la matematica, isi
perfectioneaza, prin acestea, priceperea de a rezolva probleme, de a utiliza
cunostintele matematice in mod independent si original.
Procesele memoriei
Dupa cum rezula din cele de mai sus, principalele procese ale memoriei
sunt : intiparirea, pastrarea si actualizarea. Ne vom ocupa pe rand de aceste
procese.
a) Memorarea - este primul proces al memoriei, cel in care are loc
intiparirea, fixarea experientei noastre. In procesul memorarii, legaturile
nervoase se sistematizeaza si se constitue in stereotipuri dinamice. Dupa cum ne
amintim, intr-un stereotip dinamic e vorba de un sir de acte integrate intr-un
ansamblu cu sens unitar. Cuvintele unei poezii nu se insira, pur si simplu, in
memoria nostra, cum se insira margelele unui sirag.
b) Pastrarea – odata memorate faptele sunt pastrate un timp mai scurt sau
mai indelungat pana cand vor fi reproduse sau vor servi la un act de
recunoastere. Pastrarea este deci al doilea proces al memoriei si este cuprinsa in
intervalul dintre memorarea si actualizarea celor memorate. In timpul pastrarii,
cunostintele noastre trec printr-un proces de prelucrare si sistematizare.
c) Actualizarea - este al treilea proces al memoriei, proces in care cele
pastrate in memoria noastra un timp oarecare sunt scoase la iveala si folosite ,
Cursul 8
valorificate. Actualizarea se poate face prin recunoastere sau reproducere.
Intalnind un obiect, un fapt cunoscut in trecut, noi il recunoastem, adica ne dam
seama ca am mai avut de-a face cu el in experienta noastra anterioara .
Recunoasterea poate fi mai vaga sau mai precisa. Intalnim uneori oameni care
ne apar ca figuri cunoscute. Nu avem insa decat sentimentul acesta de ceva
cunoscut, familiar, fara sa putem sa relatam altceva despre persoana respectiva
(cine e, unde am cunoscut-o etc). Acesta este o recunoastere vaga sau generica.
Alteori recunoasterea este mai precisa.
Memoria o regasim ca:
- memorie imaginativa - prin conservarea, reproducerea imaginilor trecutului;
- memorie verbal – logica - prin conservarea ideilor, informatiilor;
- mai controversata este si memoria afectiva - retrairea emotiilor trecute;
Mecanisme neuronale implicare in invatare si memorie
Memoria poate fi impartita in mod conventional in trei subcategorii:
memorie senzoriala, motorie si centrala.
Memoria senzoriala este de exemplu capacitatea ariilor corticale vizulale
de a asambla si a retine modele sptiale pentru amintirea ulterioara. Memoria
motorie este capacitatea creierului de a invata si a retine informatii pentru
executarea ulterioara a unor actiuni. Memoria centrala este capacitatea
creierului de a asambla, integra si de a da sens unor informatii senzoriale si de a
le inmagazina pentru folosirea ulterioara la nevoie.
O caracteristica importanta a celor trei tipuri de memorie este capacitatea
creierului de a face asocieri. O demonstratie grafica a asocierii a fost oferita de
Pavlov, care a antrenat un caine pentru a face asocierea sunetului unui clopotel
cu mancarea; cainele a salivat la auzirea clopotelului (fig. 8-1). Aici, creierul a
facut asocierea diferitelor informatii senzoriale cu mancarea. In mod clar, a fost
creata o cale dubla catre o unitate neuronala obisnuita (common neuronal unit –
CNU) care a declansat salivarea. Se poate presupune ca inaintea acestui
experiment conditionat, calea de la stimulul original catre CNU (S1) era deja
functionala, si calea ce aducea informatiile auditive era dormanda sau chiar
inexistenta. In timpul acestui proces conditionat, calea a doua (S2) devine
functionala, datorita probabil activitatii ariilor de asociatie ale creierului. Astfel,
repetarea concomitenta a celor doua sisteme presinaptice intareste calea
auditiva, acest fenomen fiind prezis de Hebb cu 50 de ani in urma (fig 8-2).
Cursul 8
Fig. 8-1 – Conditionarea
Pavloviana.
Fig. 8-2 – Memoria si conexiunile
neuronale.
Dovada existentei sinapsei lui Hebb a fost adusa de descoperirea
receptorului NMDA. Dupa cum am prezentat si in capitolele precedente,
receptorul NMDA se leaga de neurotransmitatorul central excitator glutamat, si
este atat un canal dependent de voltaj cat si unul dependent de ligand. Pentru a
se putea deschide, celula postsinaptica trebuie sa fie depolarizata, si receptorul
trebuie sa lege glutamatul. Depolarizarea acestor sinapse se datoreaza eliberarii
glutamatului de la situsurile presinaptice, acesta legandu-se de asemenea si la
alti receptori de pe suprafata postsinaptica, asa numitul receptor kainat, un
receptor mai frecvent pentru glutamat in SNC (fig. 8-3).
Sinapsele lui Hebb au fost intalnite la nivelul spinilor dendritici ale
neuronilor din hipocamp, celulelor piramidale si stelate si celulelor Purkinje ale
cerebelului. Daca terminalul opus receptorului NMDA elibereaza glutamat,
acesta se leaga de receptorul NMDA, dar nu se deschide canalul, ce este blocat
de ionii de Mg2+. Dar daca si terminalul din apropierea receptorului kainat
elibereaza glutamat, membrana postsinaptica se depolarizeaza. Se inlatura astfel
blocarea canalului efectuata de ionii de Mg2+ si canalul se deschide, permitand
ionilor de Ca2+ sa patrunda in celula. Prezenta Ca2+ intracelular activeaza protein
kinazele din celula postsinaptica, ducand la generarea de oxid nitric (NO), ce
Cursul 8
difuzeaza in celula presinaptica si induce si mai mult eliberarea glutamatului. In
mod alternativ, NO poate duce la sinteza mai multor receptori kainat. Procesul a
fost denumit potentare pe termen lung (long time potentiation – LTP).
Fig. 8-3 – Potentarea pe termen lung.
Invatarea – conditionarea clasica
Invatarea este un proces in care creierul acumuleaza informatii din mediul
extern. Aceasta definitie exclude cunoasterea instinctiva (intrinseca), cu care neam
nascut. Invatarea a fost impartita in asociativa si neasociativa.
Invatarea neasociativa a fost impartita in continuare in deprindere si
sensibilizare. Deprinderea este atenuarea unui raspuns comportamental la
aplicarea repetata de stimuli non-toxici. De exemplu, tresarim atunci cand este
trantita usa, dar nu o sa mai tresarim atunci cand usa este inchisa de mai multe
ori in timpul unui test. Sensibilizarea este un raspuns sporit la un stimul nociv.
De exemplu, atingerea cu blandete a pielii ce a fost in prealabil supusa unui
stimul dureros va duce tot la un raspuns dureros.
Invatarea asociativa - este impartita in conditionare clasica (Pavloviana)
si conditionare operanta (instrumentala).
Cursul 8
Conditionarea clasica – conceptul a fost prima data introdus de Pavlov
(fig. 8-4), ce a creat asocierea in mintea unui caine a doi stimuli – unul
conditionat si celalalt neconditionat. Stimulul conditionat este un stimul aplicat
care poate fi auditiv (de exemplu o voce sau un clopotel) sau vizual (o lumina).
Stimulul neconditionat este un stimul ce nu a fost testat de experimentator.
Stimulul neconditionat (hrana) produce un raspuns neconditionat. La observarea
mancarii (stimul neconditionat), cainele in mod reflex saliveaza (raspuns
neconditionat). Raspunsul este neconditionat deoarece nu este innascut si nu
este dobandit prin invatare. O asociere intre cei doi stimuli este realizata in
mintea cainelui daca stimulul conditionat (lumina) este urmata in mod repetat de
stimulul neconditionat (observarea mancarii).
Fig. 8-4 – Conditionarea clasica
Cursul 8
Conditionarea operanta (instrumentala) – este o forma importanta a
invatarii asociative. Animalul invata ca printr-un anumit comportament reuseste
sa obtina un raspuns favorabil (primeste o recompensa), sau va fi pedepsit. Daca
recompensa este de exemplu placuta – mancare – atunci animalul va repeta
actiunea sa. Daca rasplata este nefavorabila, acesta nu va repeta actiunea, o
evita.
Conditionarea operanta (invatarea stimul-raspuns) permite imbogatirea
modalitatilor motorii precise de reactie la anumiti stimuli. Invatarea stimulraspuns
poate crea o noua reactie prin combinarea “pas cu pas” a unor elemente
preexistente in bagajul de cunostinte al subiectului, sau intarirea selectiva a unor
manifestari spontan aparute in comportamentul acestuia. Invatare pas cu pas este
de exemplu scrierea unei litere asa cum se realizeaza ea la scoala, invatarea unei
pozitii tipice la balet (atunci cand profesorul instructor aseaza efectiv cu mana
picioarele subiectului in pozitia standard), invatarea reglarii microscopului
(atunci cand profesorul conduce mana subiectului in potrivirea inclinatiei
obiectivului sau a pozitionarii preparatului astfel incat elevul sa obtina claritatea
optima), folosirea efectiva a unor instrumente sau unelte etc.
Intarirea selectiva este gestul deliberat al profesorului de a rasplati reactia
de raspuns a elevului dandu-i satisfactie. Exemplu edificator este bunavointa
incurajatoare dar foarte discreta cu care profesorul creeaza situatia optima
manifestarii elevului in cazul unui copil in general timid, in momentul in care
acesta isi exprima printr-un gest nehotarat disponibilitatea de a raspunde, uneori
doar privind in fata profesorul si cautandu-i privirea. Conditiile invatarii stimul -
raspuns:
• Pe plan intern trebuie sa existe un act terminal care produce satisfactie
celui ce invata, efect care intareste legatura interiorizata. Actul terminal poate
fi unul innascut (satisfacerea foamei) sau unul dobandit (lauda). A simti
satisfactie inseamna a face ceva cu placere sau a obtine o recompensa (o
mancare, un obiect dorit, o lauda, slabirea unei dureri). Aceasta conditie exprima
legea efectului care spune ca “atunci cand se formeaza o conexiune modificabila
intre stimul si reactie si aceasta este urmata de satisfactie, legatura este intarita”.
Intarirea unei legaturi stimul-reactie este semnalizata de sporirea frecventei de
aparitie a unui anumit raspuns la un anumit stimul sau de diminuarea unei
tendinte anterioare.
• Pe plan extern – accelerarea invatarii are loc prin reducerea timpului
dintre aparitia raspunsului invatat si aparitia intaririi.
Burrhus Frederich Skinner a descris una din cele mai influente sisteme
pentru studierea procesului invatarii. El a fost interesat de explicatiile prin
contingenta―"ce duce la ce"― si de aceea se ocupa de anticiparea
comportamentului mai mult decat de intelegerea lui; rezulta asadar ca sistemul
sau nu este o teorie in intelesul strict al cuvantului. In decursul cercetarilor, el a
conceput metode extrem de eficiente pentru controlarea comportamentului si
Cursul 8
prin urmare el se ocupa de metodele de antrenare. Ideile sale sunt de un interes
general pentru cei interesati in procesele educationale, care au condus si la
metode speciale de instruire, cum ar fi masinile de invatat si invatarea
programata. Totusi validitatea metodei sale cunoscute sub numele de
"conditionare operanta" reiese cel mai clar din experimentele facute pe animale.
El a pornit de la conditionarea reflexa a lui Pavlov ― proces de formare a unui
nou reflex sau legaturi temporare prin asocierea repetata a unui stimul
neconditionat (sunetul clopotelului) cu stimulul indiferent (hrana). Skinner,
respectand aceleasi conditii, a relevat un nou tip de conditionare deosebita de
cea pavloviana pe care o numeste "conditionare operanta". Semnificatia
conditionarii operante consta in faptul ca ea demonstreaza un al doilea mod de
manevrare a procesului de intarire (de apasare, tragere, invartire) si astfel
subiectul obtine recompensa. Este faimoasa "cutia lui Skinner" (fig.8-5) in care
un sobolan primeste hrana daca apasa pe o maneta care deschide cutia. In aceste
experiente, animalul trebuie sa emita un raspuns corespunzator pentru a produce
stimulul de intarire si astfel sa primeasca hrana. Spre deosebire de procedeul
clasic, sobolanul flamand trebuie sa apese parghia; daca nu face asa, mancarea
nu este prezentata. Animalul cerceteaza liber si in cursul acestei activitati emite
un raspuns care schimba mediul inconjurator in asa fel incat si comportamentul
sau interior este afectat. Aceste schimbari in mediul inconjurator ar putea fi
numite recompense, dar este preferat de obicei termenul de "stimul de intarire".
Cand astfel de stimuli urmeaza unui raspuns, ei cresc probabilitatea ca animalul
sa se comporte din nou in acelasi fel. Astfel animalul invata, iar comportamentul
sau se modeleaza in asa fel incat devine mai eficient in manevrarea mediului.
Fig. 8-5 - Cutia lui Skinner
Uneori o parte "irelevanta" a comportamentului apare inaintea
raspunsului care asigura recompensa. In 1948 Skinner o denumeste
"comportament suspicios", deoarece maimuta se comporta ca si cum ar fi
obligata sa faca acest lucru spre a obtine recompensa desi nu s-a planuit nici o
astfel de alaturare de raspunsuri in prealabil. Analiza experimentala a lui
Skinner, a comportarii animalelor, a atins un stadiu care permite studierea unor
Cursul 8
sisteme complexe din organismele inferioare, la un nivel superior de rigoare
stiintifica.
Memoria de scurta si lunga durata
Memoria poate fi un proces “labil”, memoria de scurta durata (MSD) si
un proces „stabil”, memoria de lunga durata (MLD).
Memoria de scurta durata dureaza secunde, minute sau ore. Este tipul de
memorie pe care noi il folosim atunci cand cautam un numar de telefon sa il
formam, iar numarul nu va ramane in memorie mai mult de cateva minute. Daca
am retine toate numerele de telefon pe care le-am format intr-o viata s-ar putea
sa nu ne mai putem concentra asupra problemelor importante. Caracterul efemer
si labilitatea memoriei de scurta durata sugereaza faptul ca are o baza
“fiziologica” – poate o alterare trecatoare a “rezistentei” sinaptice a anumitor cai
din creier.
Memoria de lunga durata dureaza zile, ani, decade. Aceasta detine
informatii importante despre viata unui animal – unde sa gaseasca hrana sau un
partener,cum sa evite un animal de prada sau otrava.
Relatia dintre MSC si MLD
Se crede ca, in general informatia ce trebuie stocata trece mai intai prin
MSD si apoi in MLD. Acest transfer este numit consolidare. Am notat deja
faptul ca MSD poate fi deosebita de MLD prin marea sa “labilitate”. Nu este
greu sa intrerupem MSD; se deosebire de aceasta, MLD este greu de inlocuit.
Rezulta faptul ca putem impiedica consolidarea prin tulburarea MSD. Acest
lucru poate fi facut prin expunerea creierului la diferite “noxe”: comotie, soc
electroconvulsiv (SEC), hipotermie, anumite medicamente,etc (fig. 8-6).
Fig. 8-6 - Trauma afecteaza
transferul informatiei de la
MSD la MLD.
Memoria declarativa, explicita - Memoria implicita, procedurala
Se disting doua forme ale memoriei: memoria declarativa, explicita ce
inmagazineaza informatia ce poate fi reutilizata oricand in mod constient. Este
nevoie de ea pentru a recunoaste anumite lucruri – animale, fete, fructe.
Cursul 8
Memoria implicita, procedurala nu necesita activarea constienta pentru stocare
si rememorare. Ea este importanta de exemplu pentru a invata sa cantam la pian.
Pentru a se forma memoria declarativa, informatia ajunge mai intai la
nivelul cortexului de asociatie pe calea ariei corticale senzoriale primare. De
aici, pe calea ariei 28, informatia ajunge la hipocamp, ce este important pentru
stocarea memoriei declarative de lunga durata. Prin asocierea structurilor din
diencefal si cortexul prefrontal informatia este din nou stocata la nivelul
cortexului de asociatie (fig. 8-7).
Fig. 8-7 – Memoria declarativa.
Informatia poate fi transferata de la nivelul MSD la nivelul MLD prin
repetitie. In mod particular chiar acest transfer de la nivelul MSD la nivelul
MLD este implicat in leziuni ale structurilor de mai sus ce duc la aparitia de boli
neurodegenerative (ex. boala Alzheimer). In plus, stocarea memoriei poate fi
blocata prin intermediul socului electric. Cel mai important neurotransmitator
din hipocamp este glutamatul. Formarea memoriei este indusa de norepinefrina
si acetilcolina.
Lezarea hipocampului sau a conexiunilor lui duce la amnezie
anteroagrada. Pacientii afectati isi vor aminti lucruri anterioare evenimentului
dar nu si ulterioare.
In sindromul Korsakoff (frecvent in alcoolismul cronic) poate apare atat
amnezia anterograda cat si cea retrograda.
Memoria procedurala (implicita) (fig. 8-8) nu este asociata cu leziuni ale
hipocampului. In functie de sarcina, sunt implicati ganglionii bazali, cerebelul,
amigdala si ariile corticale. Atat ganglionii bazali cat si cerebelul joaca un rol
important atunci cand invatam noi indeletniciri. Impulsurile aferente ajung la
cerebel prin intermediul nucleilor pontini si olivari. Capacitatea de stocare a
cerebelului poate fi pierduta de exemplu prin lezarea toxica, boli degenerative, si
Cursul 8
traumatisme. Proiectiile dopaminergice ale substantei negre joaca un rol
important in formarea memoriei procedurale.
Fig. 8-8 – Memoria procedurala.
Amigdala este importanta pentru conditionarea reactiilor de anxietate. Ea
primeste informatiile de la cortex si talamus si influenteaza functiile motorii si
autonome (ex: tonusul muscular, palpitatiile) prin intermediul formatiunii
reticulare si hipotalamusului. Indepartarea bilaterala a amigdalei cu portiuni din
hipocampus si lobul temporal duce la amnezie si la un comportament fara
inhibitii (sdr. Kluver-Bucy).
Cursul 9
Memoria
Unde este localizata memoria?
Karl Lashley, unul dintre pionierii cercetarilor privind neurobiologa
memoriei, a scris la sfarsitul carierei sale de cercetator in anii 50: “Uneori
trecand in revista dovezile privind localizarea memoriei, ajung la concluzia ca
invatarea nu este cu putinta!”
Cel mai cunoscut rezultat al cercetarii lui Lashley este asa numita lege a
“actiunii de masa” sau “echipotentialitatii”. Lucrand cu sobolanii, el a reusit sa
arate faptul ca abilitatea acestora de a memora un labirint nu a depins atat de
mult de fragmentul cortexului cerebral care a fost eliminat ci de cat de mult a
fost excizat. In concordanta cu aceasta interpretare memoria labirintului a fost
distribuita peste tot in cortex, nefiind localizata mai mult intr-o arie decat in alta.
Mai tarziu, in anii 70, inregistrarile electrofiziologice de la sobolanii care au fost
supusi unui antrenament operant intr-o cutie Skinner au furnizat rezultate
similare. Se pare ca celulele din tot creierul au fost activate in timpul procesului
de invatare.
In ciuda acestor rezultate “circuitele memoriei” incep sa fie localizabile in
creier abia acum. De asemenea, observatiile “actiunii de masa” indica numai o
stimulare generala prin tot creierul cand survine invatarea, dar caile actuale sau
“circuitele” unde au loc schimbarile sunt destul de abstracte.
In zilele nostre se crede ca ariile primare avand implicatii in baza
memoriei sunt cerebelul, hipocampul, amigdala si cortexul cerebral.
O regiune importanta a creierului implicata foarte mult este hipocampul
(fig. 9-1). Se stie de mai multi ani faptul ca o leziune a hipocampului la om
determina o profunda tulburare a memoriei de scurta durata. Daca atentia lor
este confuza, distrasa, pacientii nu isi pot aminti listele de cuvinte sau nume de
obiecte care tocmai au fost memorate. Nu isi pot aminti ce zi este sau ce au
mancat la micul dejun. Deocamdata, memoriile de lunga durata sunt intacte.
Vom vedea in capitolul urmator ca boala Alzheimer, unde hipocampul este in
mod particular afectat, este caracterizata de o pierdere profunda a memoriei de
scurta durata.
Rolurile hipocampului pot fi structurate astfel:
􀀹 Este implicat in formarea memoriei de scurta durata
􀀹 Realizeaza facilitarea legaturilor interneuronale
􀀹 Participa la transferul datelor in memoria de lunga durata
􀀹 Rol fundamental in formarea memoriei spatiale
1
Cursul 9
Fig. 9-1 - Hipocampul
La sobolani, se poate arata ca hipocampul este clar implicat in
comportamentele legate de orientarea spatiala (fig. 9-2). De exemplu, un
sobolan poate fi asezat pe o platforma centrala a unui labirint in forma de stea
(radial maze). Pe fiecare brat al labirintului este asezata o momeala cu mancare.
Strategia optima este aceea de a vizita fiecare brat in rotire, asigurandu-se ca nu
se pierde timpul si energia prin intrarea intr-un brat fara momeala, gol. Daca
sobolanii se pot orienta singuri prin observarea indiciilor vizuale de deasupra si
din jurul labirintului, adesea ei nu viziteaza fiecare brat, in rotire, dar alearga se
pare la intamplare, amintindu-si prin intermediul indiciilor vizuali care brat l-au
vizitat si pe care nu.
Fig. 9-2 – Labirint in stea – Sobolanul este pus pe o platforma centrala;
apa sau hrana sunt puse la capatul unor brate; daca memoria spatiala este
neasociata, sobolanul nu ar trebui sa intre de doua ori prin acelasi brat.
2
Cursul 9
In mod similar, daca un sobolan este fortat sa gaseasca o platforma
ascunsa sub apa tulbure (fig. 9-3), sobolanul poate face acest lucru numai prin
invatarea indiciilor vizuale din camera care inconjoara rezervorul. Se spune ca
animalele poarta o “harta cognitiva” in creierul lor. Sobolanii cu hipocampul
lezat se descurca semnificativ mai putin in aceasta sarcina. Este ca si cum
abilitatea lor de a forma si/sau stoca o harta cognitiva a fost distrusa.
Fig. 9-3 – Labirintul de apa –
sobolanul este pus intr-un
rezervor mare plin cu apa. Apa
este tulburata prin adaugarea de
lapte. Pana la un anumit nivel in
rezervor, exact sub suprafata, este
o platforma. Sobolanului i se cere
sa memoreze imprejurarile
(pozitia luminilor, usii, mesei) cu
scopul de a merge catre
platforma.
Exista dovezi solide privind implicarea cerebelului in reflexele
conditionate adaptative pentru evitarea stimulilor.
Experimentele care presupun realizarea cu prudenta a lezarii,
microinfuziei de droguri, inregistrarii electrofiziologice si microstimularii
electrice arata ca anumite regiuni ale cerebelului sunt decisive in stabilirea si
mentinerea acestor reflexe conditionate. Aceste regiuni includ nucleul
interpositus ipsilateral (la baza cerebelului) si celulele Purkinje usor de
identificat in cortexul cerebelos. Se crede ca astfel de legaturi intre sinapsele de
acest fel joaca un rol esential in procesul memoriei. Exista o dovada
covarsitoare, si anume ca cerebelul joaca un rol important in performanta
miscarilor de finete. De aceea nu este surprinzator sa aflam ca cerebelul este, de
asemenea, profund implicat in rasunsurile de invatare adaptative la stimulii de
aversiune ce provoaca disconfort.
Se stie ca celulele Purkinje exprima nivele inalte de ARNm al
receptorului pentru glutamat (GluR1m). GluR1m este legat printr-un mesager
secund (proteinele G) de fosfoinozitol (PI). Din acest punct de vedere este
interesant de notat ca, in ultimii ani, „soarecii knockout” au fost folositi pentru a
„invalida” gena GluR1m. Soarecii rezultati arata defecte comportamentale
interesante care au fost atribuite pierderii GluR1m in hipocamp si cerebel. In
detaliu, asemenea soareci arata defecte profunde ale coordonarii motorii si o
usoara scadere a reflexului de clipire al ochiului. Poate, cel mai semnificativ
dintre toate, este pierderea substantiala sau chiar totala a depresiei pe termen
lung (long term depression – LTD) a sinapselor celulelor Purkinje.
3
Cursul 9
Alte formatiuni neuronale implicate in formarea memoriei:
􀀹 Amigdala – implicata in formarea memoriei afective; participa la
formarea memoriei implicite si explicite.
􀀹 Cortexul prefrontal – primeste aferente de la talamus, amigdala, si
hipocamp. Este locul de formare si organizare al memoriei
episodice si de lucru.
􀀹 Cortexul posterior parietal de asociatie – implicat in memoriile
declarative, episodice.
Dovezi ca hipocampul nu este singura regiune implicata in consolidarea
memoriei de scurta durata vin din experimente cu inhibitori farmacologici si
manipulari genetice pe un numar de regiuni ale creierului de sobolan. Testarea
comportamentului folosita in aceste experimente a fost conditionarea prin teama
(frica). In acest test un stimul inofensiv, asemeni unei lumini sau unui sunet
audibil, este asociat cu o lovitura de picior. Asociatia este repede invatata si
dupa un numar mic de asocieri stimulul conditionat singur provoaca reflexul de
clipire al ochiului: ramine nemiscat, creste pulsul, este speriat, etc. Se poate
spune ca multe regiuni cerebrale sunt implicate in aceasta conditionare, dar o
singura cale intensiv investigata duce de la hipocamp spre amigdala la cortexul
entorinal si in final la cortexul parietal.
Infuzia de agenti farmacologici AP5 (un antagonist al receptorului pentru
NMDA) si/sau muscinol (un agonist al receptorului pentru GABAA) fie in
hipocamp, fie in amigdala imediat dupa antrenament, a determinat amnezia
retrograda profunda. Acest lucru indica faptul ca circuitele care folosesc
receptorii pentru NMDA si GABA in acele regiuni au fost implicate in
conditionarea prin teama (frica). Mai mult, s-a gasit ca, daca receptorul
antagonist CNQX pentru AMPA este injectat in hipocamp si/sau in amigdala la
o zi dupa antrenament si inaintea testarii, conditionarea prin teama s-a pierdut;
daca este injectat in cortexul entorinal la o zi, sau la 31 de zile dupa antrenament
si inaintea testarii, conditionarea s-a pierdut; si in final, daca s-a injectat in
cortexul parietal la 60 de zile dupa antrenament si inaintea testarii conditionarea
prin frica a fost blocata. Aceste experimente au fost interpretate aratand ca
modificarile metabolice induse de memorare dispar destul de rapede in
hipocamp si amigdala, mai usor in cortexul entorinal si cel mai greu dintre toate
dispar in cortexul parietal. Acestea indica faptul ca un numar de regiuni
cerebrale diferite sunt implicate in mod distinctiv in formarea sau recuperarea
conditionarii prin teama.
Baza fizica a memoriei trebuie sa fie modificarea cailor nervoase din
creier. Conexiunea dintre eferente si aferente este modificata, fie facilitata, fie
inhibata. Poate ar trebui sa luam in considerare faptul ca initial creierul a fost
compartimentat si prevazut cu cai de legatura intre input-ul senzorial si output-ul
motor. Invatarea face o selectie intre aceste cai. Se asigura ca unele devin mai
4
Cursul 9
mult sau mai putin diferentiate permanent de altele si ca impulsul circula
preferential (sau dimpotriva) prin aceste cai. Astfel, intr-un fel, invatarea poate fi
vazuta ca o prelungire a labilitatii la adult pe care am vazut-o punand stapanire
pe creier in timpul dezvoltarii.
Am notat in capitolele precedente faptul ca potentialele de actiune sunt
evenimente de tipul „totul sau nimic”. Segmentul initial se descarca sau nu se
descarca. Odata ce impulsul este initiat se propaga fara atenuare. Nu exista nici
o intoarcere, crestere sau scadere a amplitudinii sau vitezei. Nu este insa si cazul
sinapselor. S-a vazut ca potentialele postsinaptice sunt evenimente gradate. S-a
mai observat ca locurile unde apar sinapsele pe corpul neuronal au o legatura
decisiva asupra efetului lor pe celulele postsinaptice. De asemenea, s-a obsevat
ca marimea sinapselor , cantitatea de neurostransmitatori eliberati cand apare un
potential de actiune, tipul de neurotransmitator, tipul si numarul receptorilor din
membrana postsinaptica, toate acestea influenteaza magnitudinea, durata si tipul
evenimentului postsinaptic.
De aceea nu este surprinzator faptul ca neurobiologii privesc sinapsele
mai mult ca pe un loc unde au loc schimbarile de baza si responsabile pentru
memorie.
Memoria la nevertebrate
Anumite tipuri de sisteme nervoase la nevertebrate furnizeaza ele insele
informatii importante in cercetarile neurobiologice.
Genomul de dimensiuni reduse si nivelului ridicat al cercetarilor pe
Drosofila, a facut posibila descoperirea unor mutatii unice care afecteaza
invatarea si apoi sa se caute produsul genic implicat.
Testul de invatare asociativa cel mai folosit cu Drosofila consta in a
asocia un stimul olfactiv sau electric cu un stimul gustativ (fig. 9-4). Stimulul
gustativ (stimul neconditionat) este de obicei sucroza, pe care Drosofila il va
ingera. Stimulul olfactiv (stimul conditionat) poate fi unul din substantele
odorizante la care este sensibila insecta. Stimulul electric neplacut (advers) (de
asemenea stimul conditionat) este reprezentat de reteaua care poate genera
aproximativ 90V curent alternativ. Nu este dificil sa conditionezi musculita sa se
apropie de o sursa odoranta asociata anterior cu sucroza si sa evite o sursa
odoranta asociata anterior cu un soc electric.
Acest test s-a folosit pentru a izola mutantii deficienti pentru mecanismele
invatarii sau memorizarii necesare acestei sarcini. Astfel au fost identificate un
numar mare de astfel de mutanti. Fiecare determina un deficit specific.
Dunce (dnc), primul astfel de mutant izolat, arata o capacitate de invatare
apreciabila daca este testata la 30s dupa antrenamentul conditionant, dar dupa
aceea memoria sa se degradeaza rapid. Aceasta mutatie este localizata pe
cromozomul X si se pare ca afecteaza o fosfodiesteraza dependenta de AMPc
5
Cursul 9
(PDE 2). In plus fata de deficitul lor de memorie, musculitele dnc prezinta si o
reducere a acomodarii si a sensibilizarii.
Fig. 9-4 - Aparat pentru conditionarea Drosophilei. Musculitele de otet
sunt puse intr-un tub care poate fi glisat in spate si in afara de-a lungul
deschizaturilor spre alte tuburi. In pozitia de „repaos”, tubul „casa” este opus
unui tub „de repaos” care este perforat pentru a permite aerisirea. Tuburile „test”
– A, B, C, D – contin grilaje invelite cu sunstanta odoranta. Grilajele sunt de
asemenea conectate la o sursa ce da 90V, AC , soc. Musculitele sunt determinate
sa zboare in tuburi prin folosirea fototaxiei lor catre lumina. Conditionarea poate
fi realizata prin folosirea fie a unui stimul atractiv (sucroza), fie a unui stimul de
aversiune (soc electric). Memoria poate fi astfel testata in cel de-al II-lea set de
tuburi (A, B).
Acest fapt sugereaza poate ca, cel putin la Drosophila, memoria de tip
asociativ impartaseste un mecanism comun cu cea de tip non-asociativ.
Muantii Dopadecarboxilazei (Ddc), spre deosebire de dnc, nu reusesc sa
invete asociatiile de la inceput. Enzima DOPA decarboxilaza (sau aromatic-1
amino acid decarboxilaza) este necesara atat pentru sinteza dopaminei cat si a
serotoninei. Musculitele deficiente pentru acesti neurotransmitatori apar astfel
incapabile sa invete asocierea stimul odorant-soc si stimul odorant-sucroza. Mai
6
Cursul 9
mult, este posibil sa se imperecheze musculitele cu leziuni partiale ale genei si
sa se ararate ca ele au o abilitate redusa de a invata cele doua asociatii. Cu alte
cuvinte, se pare ca exista un efect de dozare. Mai interesant, se poate arata ca
acesti mutanti partiali nu uita ce au invatat. Astfel, mutatia Ddc afecteaza
invatarea dar nu si reamintirea. Se pare astfel ca dopamina si/sau serotonina sunt
necesare pentru invatarea asociatiei stimul odorant-sucroza si stimul odorant-soc
electric la Drosofila, dar nu pentru retinerea sau recuperarea datelor memorate.
In plus fata de distinctia dintre invatare si recuperarea a ceea ce a fost
invatat, memoria Drosofilei se supune si ea regulii generale de a fi divizibila in
doua faze: de scurta durata si de lunga durata. Musculitele normale pot retine un
reflex conditionat pentru mai mult de o saptamana. Musculitele purtatoare ale
mutatiei amnesiac (amn) au aratat o absenta totala a memoriei de lunga durata.
Cand au fost testate pentru un reflex conditionat olfactiv la cateva secunde dupa
antrenament, ele nu au putut fi deosebite de musculitele normale (de control).
Cand au fost testate o ora mai tarziu, memoria lor disparuse complet, in vreme
ce musculitele de control reactionau inca bine. Procesul de achizitie a datelor nu
fusese afectat, in schimb cel de retinere da. S-a aratat ca gena amnesiac codifica
un pre-pro-neuropeptid ce stimuleaza sinteza de AMPc. Inca odata, datele
experimentale indica aceeasi banuiala. Mai mult, amn este puternic exprimata in
doi neuroni dorsali mari (neuronii mediali dorsali pereche) ce isi trimit
eferentele catre corpii pedunculari. Daca reciclarea veziculelor sinaptice in
acesti neuroni este blocata, memoria de lunga durata este afectata in acelasi fel
ca la mutantul amnesiac.
Memoria la mamifere
Sa presupunem ca mecanismele moleculare care stau la baza memoriei
sunt asemanatoare in tot regnul animal si ca dezvoltarea spectaculoasa a
memoriei la mamifere si in special printre primate este datorata in mare masura
dimensiunii crescute si complexitatii sistemului nervos. Marea complexitate
structurala permite interactiunea dintre circuitele neurale.
Se considera ca memoria „explicita” sau „declarativa” are legatura cu
hipocampul care este profund implicat. De aceea este interesant sa mentionam
ca doua dintre procesele neurofiziologice despre care s-a crezut ca stau la baza
acestui tip de memorie au fost detectate mai intai in hipocamp. Aceste procese
sunt denumite potentare post-tetanica (PPT) sau potentare pe termen scurt (PTS)
si potentare pe termen lung (PTL).
Potentarea post tetanica si potentarea pe termen lung
Cand un neuron presinaptic este stimulat din punct de vedere
experimental cu o frecventa ridicata, chiar si pentru cateva secunde,
excitabilitatea sinapsei este sporita, sau potentata. Eficienta mai buna a
7
Cursul 9
transmisiei sinaptice poate dura ore sau chiar saptamani si este denumita
potentare pe termen lung (fig. 9-5).
Fig. 9-5 - Potentarea pe
termen lung.
Potentarea post tetanica a reprezentat un candidat pentru baza fizica a
memoriei pentru multi ani. Se poate arata ca dupa un flux de impulsuri care a
fost directionat catre anumite sinapse, excitabilitatea membranei postsinaptice
creste semnificativ. Cu alte cuvinte impulsurile ulterioare in celulele
presinaptice induc depolarizari presinaptice mai mari in celula postsinaptica si
astfel au o sansa de depolarizare mai mare a segmentului initial catre valoarea
prag si initierea unui potential de actiune (fig. 9-6). PPT persista in general
pentru cateva ore dupa care membrana postsinaptica revine la normal.
Fig. 9-6 - Potentarea post
tetanica. (A) Impulsuri in neuronul
presinaptic. (B) Amplitudinea
EPSP in neuronul postsinaptic.
Dupa o stingere rapida a stimularii
tetanice, magnitudinea EPSP este
crescuta si ramane crescuta pentru
o peroada de timp considerabila.
8
Cursul 9
Potentarea pe termen lung difera de PPT ca timp, in loc de cateva ore
aceasta persista zile, saptamaini si chiar luni. Pentru a induce PTL simularea
trebuie sa fie de intensitate mai mare decat pentru PPT. Este evident ca aceste
fenomene electrofiziologice sunt in concordanta cu mecanismul memoriei.
Caile din hipocamp
Este important de stiut ca exista trei elemente majore ale cailor excitatorii:
fibrele muschioase din girusul dentat spre regiunea denumita CA3; colateralele
Schaffer catre regiunea denumita CA1 (fig. 9-7) si fibrele perforante. Se stie
faptul ca PTL, generat de stimulari repetitive ale fibrelor perforante si Schaffer,
depinde de prezenta receptorilor NMDA in sinapsele lor; spre deosebire insa,
PTL generat de activitatea din fibrele muschioase nu depinde de prezenta
acestor receptori pentru NMDA.
Fig. 9-7 - Sectiune transversala prin hipocamp care arata caile excitatorii.
Impulsurile nervoase intra in hipocamp prin calea perforanta din cortexul
entorinal. O sinapsa este facuta cu o celula granulara in girusul dentat.
Axonul (fibra muschioasa) celulei granulare duce excitatia spre dendrita
celulei piramidale in CA3. Axonul celulei piramidale CA3 este cunoscut ca
fibra colaterala Schaffer si duce excitatia catre celula piramidala din CA1.
Fibrele colaterale Schaffer si fibrele perforante
Sa luam mai intai in considerare caile dependente de receptorul NMDA.
Curentii de Ca2+ sunt din nou profund implicati. Daca un chelator de Ca, EDTA,
este injectat in celulele postsinaptice, se poate arata ca PTL este inhibat. Este de
notat faptul ca celula postsinaptica este cea afectata, nu terminatia presinaptica.
Aceasta diferenta este confirmata de faptul ca prin blocarea receptorilor
glutamatului de pe aceste membrane postsinaptice se blocheaza de asemenea si
PTL. Nu pot fi excluse unele tipuri ale „reactiei inverse” de la membrana
9
Cursul 9
postsinaptica la cea presinaptica. Nu este imposibil ca evenimentele biochimice
induse in celula postsinaptica printr-o ploaie de transmitatori de la un terminal
presinaptic tetanizat sa conduca la eliberarea un anumit material trofic in fanta
sinaptica care afecteaza membrana presinaptica. Exista, de asemnea, dovezi ca
PTL este asociat cu o eliberare sporita a aminoacizilor excitatori – glutamat si
acid aspartic - din terminatiile presinaptice. Sa privim mai intai la natura
raspunsului postsinaptic la stimularea tetanica.
Exista cel putin trei tipuri farmacologice distincte de receptor glutamat:
AMPA, KA si NMDA. De asemenea, receptorul pentru NMDA controleaza
canalul de Ca2+ care poate fi deschis numai de glutamat cand membrana a fost
depolarizata prin 30mV. Se cunosc, de asemenea, antagonisti pentru receptorul
NMDA. Cativa din acesti antagonisti, asemeni D-2-amino-5-fosfononvaleriate
(D-AP5) si pheneciclidina (PCP) au fost folositi in analiza bazei moleculare a
PTL in hipocamp.
Se poate arata ca atat D-AP5 cat si PCP impiedica instalarea PTL in
regiunile CA1 si girusul dentat (GD) din hipocamp. De asemenea, se poate
arata, pe scurt, ca in timp ce antagonistii NMDA blocheaza raspunsul la o
stimularea cu freventa inalta, tetanica, raspunsul la stimuli cu frecventa joasa,
non-tetanica (mediat probabil prin receptorii pentru KA si AMPA) este
neafectat.
Mecanismul sugerat se bazeaza pe o observatie bine dovedita, si anume ca
ionii de Mg2+ blocheaza receptorii NMDA la un potential de repaus. De aceea,
este sugerat ca stimularea cu frecventa joasa, elibereaza glutamatul din
terminalele presinaptice, in timp ce activarea receptorilor non-NMDA si
inducerea de depolarizari presinaptice in celulele subiacente nu determina o
depolarizare postsinapica suficienta pentru a elimina blocada Mg2+ de pe
receptorii NMDA. Blocada este oricum eliminata de depolarizarea postsinaptica
semnifcativ mai mare indusa de stimularea de frecventa inalta (tetanica) a
fibrelor aferente. In acest caz, terminatiile presinaptice vor elibera cantitati mari
de glutamat care prin intermediul receptorilor KA si AMPA va determina o
depolarizare extinsa a membranei postsinaptice.
Astfel, deschiderea canalului de Ca2+ al receptorului NMDA este
dependenta de stimularea tetanica. Influxul de lunga durata al ionilor de Ca2+
poate avea ca rezultat o serie de consecinte: poate afecta excitabilitatea
membranei postsinaptice sau poate activa protein kinaza A, care poate afecta, in
schimb, excitabilitatea membranei prin fosforilarea proteinei membranare sau, in
cele din urma, poate actiona ca un mesager secund pentru a initia o biochimie
citosolica sau genomica probabil prin inducerea sintezei sintetazei oxidului
nitric (NOS) sau activarea NOS prezenta deja in citosol.
10
Cursul 9
Caile fibrelor muschioase
S-a observat ca PTL nu a fost dependent de mecanismul de receptor al
NMDA in fibrele muschioase. S-a demonstrat ca PTL in aceste cai are doua
faze: una timpurie (PTL-E: scaderea catre nivelul de baza in aproximativ 3 ore)
si una intarziata (PTL-L: ramanerea la peste 200% din nivelul de baza la 6 ore
sau mai mult). Pe langa independenta de receptorii NMDA, calea fibrelor
muschioase difera de celelalte doua cai prin aceea ca, cel putin PTL-E este indus
presinaptic. Se ridica intrebarea: „este o biochimie similara la baza acestei
anatomii diferite?”
Raspunsul este afirmativ. In timp ce PTL-E este neafectat de inhibitorii
proteinei si sintezei de ARNm, PTL-L este sever tulburat. Ambele faze folosesc
sistemul AMPc/PKA, dar numai faza PTL-L implica sinteza unei noi proteine.
Care este noua proteina sintetizata ca raspuns a activarii situsului CRE?
Au fost izolate un numar diferit de neurotrofine. Diferitele neurotrofine si
receptorii lor sunt exprimati selectiv in diferite regiuni ale creierului. Dovezile
acumulate arata ca nivelele de ARNm ale neurotrofinelor si receptorii lor trk
variaza cu activitatea neuronala. Se poate arata in hipocamp ca nivelele de
ARNm al neurotrofinelor cresc ca raspuns la stimularea celulelor
glutaminergice, iar evenimentul opus (scaderea ARNm al neurotrofinelor) apare
cand celulele GABA-ergice sunt stimulate. In prezent exista discutii in
contradictoriu daca neurotrofinele sunt eliberate pre- sau postsinaptic, sau poate
in ambele cazuri. Oricare ar fi adevarul se pare ca neurotrofinele care au fost
eliberate in fanta sinaptica cresc dimensiunea butonului sinaptic si initiaza
dendrita si spinul dendritic, inmugurind.
Proeminenetele dentritice
Am vazut in capitolul 1 faptul ca dendritele multor neuroni din cortexul
cerebral sunt acoperite de mici protuberante: „spinii” sau „tepile” dendritice.
Aceste protuberante formeaza suprafetele dendritice la majoritatea celulelor
principale din cortexul cerebral. Desi sunt structuri permanente s-a observat ca
pot varia in ceea ce privesc marimea, forma si numarul ca si raspuns la
activitatea cerebrala. Aceste protuberante au fost considerate pentru mult timp a
fi impilcate in schimbarile plastice care stau la baza memoriei pe termen lung.
Dimensiunile pot varia de la o regiune cerebrala la alta. Cele mai mici au o
lungime de 0,2 μm si un volum de aproximativ 0,04 μm3, iar cele mai mari,
lungimea de 6,5 μm si volumul de 2 μm3. In figura 9-8 este reprezentat un spin
reprezentativ, dar exista multe variatii si acesti spini se ramifica frecvent. In mod
caracteristic spinul matur are un „cap” bulbos atasat de dendrita printr-un „gat”
ingust . Dendrita apicala a unui neuron piramidal mare din cortexul cerebral
poate dezvolta mii de spini.
11
Cursul 9
Fig. 9-8 - Structura spinului. Imagine marita a spinilor de pe o dendrita
apicala a celulelor piramidale corticale.
In mod normal, spinii prezinta o ultrastructura complexa. Membrana de
sub butonul sinaptic (si spinii pot realiza pana la 3 contacte sinaptice) dezvolta o
densitate postsinaptica caracteristica (PSD). Microscopia electronica prin criofracturare
arata un numar mare de particule (c. 2800 μm2) despre care se cred ca
sunt canale declansate de glutamat. In plus, mai mult de 30 de proteine diferite
au fost detectate in fractiunile subcelulare bogate in PSD. Acestea includ
molecule receptor (in special receptorii pentru glutamat), protein-kinaza
(inclusiv CaM kinaza 2), proteine ale citoscheletului (ex. actina, MAP,
neurofilamente), proteina cu rol structural PSD-95 si cateva enzime metabolice.
Aceste proteine sunt asociate cu structura destul de complexa a organitelor
vizibila la microscopul electronic.
Aceasta structura a organitelor formeaza „aparatul spin” care este
construit in mare masura din reticul endoplasmic neted (REN). Asemeni altor
tipuri de REN, acesta depoziteaza ioni de Ca2+ care pot fi eliberati de catre
mesagerii secunzi metabotropici asemeni IP3. Poliribozomii sunt de obicei
prezenti dar mitocondriile sunt absente, cu exceptia spinilor mari ai unor celule
din cortexul cerebral. Pe langa REN, aparatul spin contine o bine dezvoltata
12
Cursul 9
retea filamentoasa formata in mare parte din actina. La nivelul gatului spinilor,
actina este aranjata in fascicole paralele, iar la nivelul capului formeaza o larga
retea impletita.
Spinii constituie aferentele excitatorii majore pentru celulele cortexului
cerebral, cortexului cerebelos si hipocampului. De obicei, exista un singur buton
presinaptic la nivelul capului spinului, iar ocazional alti butoni cu rol modulator
pot fi observati la nivelul gatului.
A existat un mare interes in stabilirea rolul spinilor in potentarea pe
termen lung si in alte schimbari ce stau la baza plasticitatii cerebrale. A fost
sugerat faptul ca, ingustarea de la nivelul gatului spinilor concentreaza EPSP si
evenimentele ulterioare de la nivelul capului spinului. Daca de exemplu capul
contine receptori pentru AMPA, KA si NMDA atunci eliberarea de glutamat va
avea o sansa mai mare de a reduce potentialul suficient pentru a elibera blocada
Mg2+-ului de pe receptorul NMDA.
Exista dovezi ce sustin aceasta ipoteza. Studiile de dezvoltare arata ca
potentarea pe termen lung depinde nu numai de existenta canalelor de NMDA
dar de asemenea si de numarul de spini prezent. Mai mult, atunci cand spinii se
matureaza, gaturile lor tind sa se ingusteze iar potentarea pe termen lung sa se
organizeze.
In concluzie, probabil ca trebuie sa ne imaginam spinul ca un
compartiment separat, sau ca un „micro-domeniu” independent. Datorita unui
gat ingust, orice schimbari ale suprafetei sinaptice care induce o stare
intrabulbara modificata sunt probabil mai putin disipate de activitatea din restul
corpului neuronului. In cultura de tesut, spinii se pot forma in mai putin de 2 ore.
Imaginile de ME ale spinilor, care ii arata ca niste spini de pe „tulpinile de
trandafir”, nu ar trebui sa ne induca in eroare, considerandu-i structuri
permanente, statice; exista destule dovezi care arata ca acesti spinii sunt intr-o
continua schimbare de forma si pozitie. Asemenea schimbari au fost observate
in timpul „invatarii”, iar degenerarea lor a fost vazuta in patologii ale disfunctiei
cerebrale, in special neurodegenerarea la batrini. Spinii dendritici constituie un
nivel de organizare intre complexele macromoleculare asemeni ribozomilor si
membranelor cu rol structural si neuronul.
13
Cursul 10
Patologia moleculara a unor sindroame si maladii
neurologice
Prionii si maladiile prionice
Prionii sunt particule infectioase care sunt cauza unui grup de maladii
neurodegenerative caracterizate prin degenerarea sistemului nervos central. Ei
sunt lipsiti de orice tip de acid nucleic si pot induce o serie de maladii atat la om
cat si la animale. La om, cele mai cunoscute sunt: maladia Creutzfeld-Jacob
(CJD), sindromul Gerstmann-Straussler-Scheinker (GSS), insomnia fatala
familiala (FFI), maladia Kuru si sindromul Alpers (intalnit numai la copii), iar la
animale: scrapie (la oi si capre), encefalopatia spongiforma bovina (BSE) sau
“boala vacilor nebune”, encefalopatia spongiforma a felinelor, a cervidelor, etc.
Procesul care declanseaza boala este reprezentat de conversia unei
proteine normale, sintetizata in mod natural in creierul tuturor mamiferelor
(PrPc), intr-una mutanta, anormala (PrPSc). In functie de factorul care induce
conversia PrPc in PrPSc, natura acestor afectiuni poate fi genetica (in cazul unei
mutatii punctiforme a genei pentru PrP, transmisa autozomal dominant),
infectioasa (ca urmare a consumului alimentelor contaminate, a folosirii unor
instrumente chirurgicale nesterile, injectarii unor hormoni derivati din hipofiza
prelevata de la cadavre), sau sporadica (datorata unor mutatii spontane ale genei
PrP, care intensifica rata conversiei proteinei prionice, cat si unor factori
necunoscuti).
Maladiile prionice reprezinta un grup heterogen de disfunctii
neurodegenerative cunoscute ca encefalopatii spongiforme transmisibile (TSE),
ce au in comun leziuni cerebrale, produse prin degenerescenta vacuolara a
neuronilor. Post-mortem se constata un aspect spongios al creierului, aspect
datorat prezentei vacuolelor care se gasesc in special la nivelul substantei
cenusii, corespunzator corpilor neuronali.
Toate aceste maladii sunt asociate cu alterarea conformationala
determinata de conversia formei normale a proteinei prionice, sensibila la
proteaza (PrPC), la o forma rezistenta la proteaza (PrPSc), marker specific TSEurilor;
aceasta modificare are loc doar dupa ce proteina prionica a fost ancorata
la nivelul membranei celulare.
Atunci cand la nivelul genei care codifica proteina prionica normala, au
loc mutatii punctiforme, se realizeaza sinteza unei izoforme anormale, denumita,
dupa numele bolii la care a fost studiat “PrP scrapie” sau PrPSc. Aceasta
proteina scrapie mai este cunoscuta si sub numele de prion. Conceptul de prion a
fost introdus de Prusiner in urma studierii scrapiei la oi (encefalopatia
spongiforma a ovinelor). Prionii reprezinta o categorie de agenti infectiosi,
considerandu-se ca sunt un mister din punct de vedere biologic, deoarece, in
1
Cursul 10
structura lor intra doar o molecula proteica. Fiind lipsiti de genom, difera de
toate categoriile de agenti infectiosi cunoscute pana in prezent, prin faptul ca nu
contin nici un tip de acid nucleic (ADN sau ARN). Este interesant de relatat si
faptul ca prionii rezista la actiunea multor factori fizico-chimici (fig. 10-1).
Prin analogie, forma normala a acestei proteine, prezenta in conditii
normale in celula, a fost desemnata PrPP
C (proteina prionica ceulara).
Fig. 10-1 - Reprezentarea activitatii infectioase a prionului si a
organismelor cu grad diferit de organizare a ADN, sub actiunea UV.
In incercarea de a descifra cauza care sta la baza aparitiei acestor maladii,
au fost formulate mai multe teorii. Imposibilitatea de a descoperi, pe preparate
provenite de la pacienti cu TSE, un agent infectios reprezentat de un acid
nucleic, precum si rezistenta foarte mare a acestor maladii la tratamente, care de
obicei distrug acidul nucleic, conduce la formularea ipotezei proteinei prionice
infectante. Aceasta ipoteza a fost postulata in 1982, de catre Stanley Prusiner
care sustine etiologia proteica a TSE, si presupune ca PrPSc ar actiona ca matrita
in conversia izoformei PrPC normale, in PrPSc asociata cu boala. Astfel, in
aceasta viziune, proteina prionica se autopropaga prin contactul cu proteina
normala, pe care o determina intr-un anume fel sa adopte o conformatie diferita
fata de cea initiala, luand forma prionica. Aceste modificari se propaga in lant,
astfel incat noile particule infectioase modifica in continuare alte proteine
prionice normale cu care vin in contact. S-a demonstrat ca in absenta acestei
proteine normale, PrPSc este incapabila de a determina aparitia bolii. Una din
lacunele acestei ipoteze este faptul ca nu poate explica cum o molecula proteica
poate determina proprietati biologice diferite precum si diferite forme de TSE.
S-ar parea, totusi, ca diferitele forme de TSE ar fi determinate de diferite
conformatii si/sau de nivelul diferit de glicozilare al proteinei prionice.
O alta ipoteza incrimineaza un agent infectios asemanator virusurilor,
numit virino, ale carui copii ar permite dezvoltarea diferitelor variante ale bolii
neurodegenerative si, ocazional, schimbarea caracteristicilor prin mutatie.
Acesta este un agent infectios subviral alcatuit dintr-o molecula mica de acid
2
Cursul 10
nucleic, asociat cu o proteina codificata de celula gazda. In aceste conditii se
pare ca virino este asociat cu izoforma scrapie a proteinei prionice.
Totusi, ipoteza cea mai vehiculata este ca PrPSc ar fi ea insasi principalul
si chiar singurul component al agentului infectios. Aceasta ipoteza, “protein
only”, propusa de Griffith in anul 1967, arata ca propagarea prionilor ar avea loc
prin intermediul PrPSc care se replica cu inalta fidelitate prin recrutarea PrP
endogene. In absenta acestei forme, s-a aratat ca PrPSc este incapabila de a se
replica si de a induce boala. Pentru a fi infectioasa, PrPSc trebuie sa gaseasca in
celula infectata molecule identice din punct de vedere chimic, pentru a le
modifica structura.
Structura PrPC
Proteina prionica celulara este exprimata la nivelul sistemului nervos
central si periferic, in tesutul limfatic si la nivelul jonctiunilor neuromusculare,
ca o proteina situata la suprafata celulei, fiind ancorata de membrana celulara
prin intermediul unei ancore glicolipidice. In mod normal, aceasta forma este
produsa in creierul tuturor mamiferelor si este inofensiva, insa, in anumite
conditii poate adopta o forma alterata, care reprezinta agentul infectios implicat
in dezvoltarea TSE. Odata instalat la nivelul creierului, acest agent transforma
moleculele proteice normale intr-un numar mare de copii infectioase, care sunt
depozitate extracelular ca placi amiloide sau intracelular ca fibrile sau agregate
de prioni.
Proteina structurala este o glicoproteina hidrofoba, cu o greutate
moleculara de 28KDa, avand in compozitia sa 208-220 de aminoacizi, in functie
de specie (fig. 10-2). Prezinta un capat NH2-terminal, o regiune centrala si un
capat COOH-terminal. Domeniul NH2-terminal contine 80-100 de aminoacizi, o
regiune alcatuita din cinci copii ale unei octorepetitii, existand cazuri in care
acest numar este mai mare (de exemplu la bovine unde exista sase astfel de
copii).
Fig. 10-2 - Structura PrPC
3
Cursul 10
Numeroase studii au aratat ca aceste repetitii au un grad inalt de
conservare in seria animala, ceea ce inseamna ca indeplinesc un rol important in
functionarea proteinei. La nivelul acestor repetitii se gaseste un situs de legare
pentru ionii unor metale, in special pentru ionii de cupru si se presupune ca
activitatea proteinei ar depinde de prezenta acestor ioni.
Acest domeniu NH2-terminal se caracterizeaza printr-o plasticitate
deosebita si prin prezenta unor structuri helicale, sugerand ca este implicat in
conversia PrPc→PrPSc.
Capatul COOH-terminal contine 120 de aminoacizi, o secventa semnal
pentru atasarea unui glicofosfatidil inozitol (GPI) care reprezinta “ancora” cu
care PrP este prinsa de membrana celulara, si o regiune conservata, reprezentata
de doua resturi de cisteina unite prin doua punti disulfidice. Proteina este
procesata post-translational astfel incat are loc o rearanjare a unui numar variabil
de aminoacizi la nivelul ambelor domenii terminale.
Forma patogena sau "scrapie" (PrPSc) este identica din punct de vedere al
compozitiei in aminoacizi cu proteina prionica normala, insa exista diferente
marcante la nivelul structurii secundare si tertiare. Metodele biofizice, cum ar fi
analizele RMN si dicroismul circular, au aratat ca exista diferente intre cele doua
izoforme la nivelul structurii secundare, care constau in faptul ca PrPc este
bogata in structuri α-helix, regiuni in care scheletul proteic se rasuceste sub
forma specifica unei spirale, in timp ce PrPSc este bogata in legaturi β-pliate, in
care proteina este desfasurata. Miezul proteic al PrP contine 3 α-helixuri si o
structura β-pliata scurta, restul moleculei prezentand o mobilitate crescuta.
Originea diferentelor conformationale dintre cele doua forme este necunoscuta.
Ele ar putea fi determinate fie de organizarea tertiara a monomerilor PrPSc, fie ar
putea rezulta din structura cuaternara diferita a polimerilor PrPSc.
Functia PrPc este inca necunoscuta, insa si din acest punct de vedere
exista o serie de ipoteze. Numeroase studii au fost realizate pentru a stabili rolul
fiziologic al PrP la suprafata celulei (fig. 10-3) si s-a constatat ca poate actiona
ca un receptor celular pentru un ligand extracelular care nu a fost inca
identificat. O alta ipoteza sugereaza ca PrP, la suprafata celulei, leaga ionii de
cupru, fiind implicata in transportul si metabolizarea acestora. Prin izolarea unei
octarepetitii din domeniul NH2-terminal, s-a observat ca prin legarea ionilor de
cupru se formeaza o structura helicala ceea ce ar favoriza formarea proteinei
anormale. Ionii metalelor tranzitionale redox-active cum sunt cupru si fierul,
prezinta o importanta semnificativa in procesul neurodegenerarii, deoarece intra
in structura unor enzime, iar deficienta lor poate duce la aparitia unor disfunctii
la nivelul sistemului nervos central, generate de producerea de radicali liberi de
oxigen si de stress-ul oxidativ. Exista numeroase dovezi in sensul ca PrP are
activitate superoxid dismutazica (SOD), concluzie rezultata din faptul ca
celulele lipsite de PrP au o sensibilitate crescuta la stress-ul oxidativ datorita
activitatii scazute sau chiar absente a SOD. Aceasta activitate este facilitata de
4
Cursul 10
legarea ionilor de cupru, iar celulele in care proteina prionica este trunchiata
fiind lipsiti de capatul NH2-terminal prezinta o deficienta a SOD, deoarece ionii
de cupru se leaga in special de acest capat. In plus, ionii altor metale (in special
ionii metalelor grele), pot media, prin fixarea lor la nivelul unui situs specific
din proteina, neurotoxicitatea, favorizand formarea de agregate si, implicit,
aparitia bolii. De asemenea, s-a sugerat ca aceasta proteina joaca un rol
important in reglarea apoptozei, cu distrugerea nivelului celular normal al PrP in
cursul infectiei, conducand ireversibil la moarte celulara.
Fig. 10-3 – Rolul PrPc la
suprafata celulei.
Mecanismul formarii PrPSc
Formarea PrPSc este rezultatul procesului de conversie al structurilor α-
helicale prezente in structura secundara a proteinei celulare, in structuri β-pliate
caracteristice proteinei scrapie. Studii realizate cu peptide sintetice au sugerat ca
o regiune din PrP, cuprinsa intre resturile de aminoacizi 108-121, poate
determina formarea de legaturi β-pliate in izoforma patogena, PrPSc. Aceasta
regiune pare a fi necesara pentru formarea PrPSc, deoarece deletia ei impiedica
formarea PrPSc in timp ce deletia altor regiuni situate in amonte sau in aval de
aceasta regiune, permite formarea acesteia. Procesul de conversie implica doar o
schimbare in topologia proteinei, fara a avea vreun efect asupra compozitiei in
amioacizi. In acest proces de conversie, s-a dovedit ca, din intreaga structura a
proteinei celulare, un rol important il are, datorita plasticitatii sale crescute,
domeniul NH2-terminal, care permite formarea unor structuri helicale. In ceea ce
priveste identitatea factorului care determina acest proces, exista mai multe
ipoteze, mai mult sau mai putin argumentate.
5
Cursul 10
Dintre toate modele propuse, cel mai vehiculat este acela ca proteina
nativa se gaseste in mod normal intr-un echilibru cu un ansamblu de de proteine
care prezinta modificari conformationale minore – precursori monomerici ai
PrPSc. Acesti precursori pot interactiona intre ei cu eficienta scazuta si reversibil,
pana cand se formeaza un miez oligomeric infectios si stabil. Cand este atinsa o
marime critica, precursorii monomerici ai PrPSc se pot aditiona la aceasta
structura intr-un mod ireversibil, pentru a permite marirea particulei PrPSc.
Particula infectioasa se poate apoi “reproduce” prin ruperea in particule mai mici
si stabile.
Cele patru etape sunt schematizate in figura 10-4.
(a) starea de echilibru dintre PrPc si PrPSc,
(b) interactia precursorilor,
(c) “reproducerea” si
(d) formarea unei particule stabile ale acestui proces
Fig. 10-4 - Etapele propagarii prionului.
Cand cantitatea de PrPSc depozitata atinge un nivel critic, se declanseaza o
cascada auto-catalitica, care de obicei este ireversibila si care determina
modificarea proteinelor normale nou sintetizate. In cazul maladiilor prionice,
aceste depozite nu sunt distruse, ceea ce duce la acumularea lor in celule,
determinand vacuolizarea si necroza acestora. S-a constatat ca in acest proces de
conversie, PrPSc functioneaza ca matrita pentru formarea unor noi molecule
PrPSc.
Gena PrP
Proteina prionica normala este sintetizata pe baza informatiei genetice
continuta intr-un fragment de ADN care se gaseste atat in celulele normale cat si
in cele infectate, unde determina sinteza unei proteine normale, neprionice.
Aceasta gena, la om, este localizata pe bratul scurt al cromozomului 20.
La mamifere, gena are trei exoni si un ORF (open reading frame=cadru de
citire deschis) care este implicat in codificarea acestei proteine. Inactivarea sau
deletia acestui ORF, in cele mai multe cazuri, are un efect nesemnificativ in
6
Cursul 10
dezvoltarea pre si neonatala a soarecilor, desi se stie ca expresia PrP este o
conditie necesara, dar nu suficienta, pentru propagarea particulelor infectioase.
Gena umana PRNP contine un singur ORF care codifica o proteina de 253
de aminoacizi. Aceasta proteina este procesata posttranslational, astfel incat are
loc o rearanjare a unei secvente de 22 de aminoacizi de la capatul NH2-terminal.
Acelasi lucru se intampla la capatul COOH, unde 23 de aminoacizi sunt
rearanjati in cursul aditiei unui glicofosfatidil inozitol (GPI) care ancoreaza
proteina de membrana celulara. Au fost studiate o multime de variante ale
proteinei PrP, din punct de vedere al compozitiei chimice, la mai multe specii si
s-a constatat ca doar secventa proteica de la pui difera considerabil de cea
umana. De aici concluzia ca exista un grad inalt de conservare in seria animala si
ca anumite functii s-au pastrat de-a lungul evolutiei.
Maladii prionice la om pot fi considerate afectiunile in care fiecare individ
prezinta un declin progresiv subacut sau cronic al functiilor cognitive si motorii.
De obicei, pacientii cu varsta cuprinsa intre 40-80 de ani, manifesta trasaturi
clinice care permit stabilirea diagnosticului premorbid al maladiilor prionice, in
special cei cu CJD.
Fondul genetic joaca un rol important. Mutatiile au loc la nivelul ORFului
sau in regiunea codificatoare a genei, iar acest lucru a fost observat la toti
pacientii cu maladii prionice mostenite. Cand s-a descoperit ca mutatia la nivelul
codonului 102 din gena umana, in urma careia prolina este inlocuita cu leucina
este legata de aparitia maladiei GSS s-a formulat ipoteza ca maladiile prionice
sunt atat infectioase, cat si genetice. Aceasta mutatie poate fi cauzata de
dezaminarea, in linia germinala, a unei insule CpG metilate, ceea ce duce la
substitutia unei timine cu o citozina.
Concluzii
Desi cunoscute de sute de ani, maladiile prionice reprezinta inca un
domeniu putin cunoscut din punct de vedere biologic si medical fiind necesare,
inca, numeroase studii si cercetari pentru stabilirea cu exactitate a cauzelor si a
mecanismului care determina aparitia acestor boli. Faptul ca exista numeroase
variante ale acestor boli, si ca pot fi de natura diferita, reprezinta o bariera in
realizarea acestui obiectiv.
Ipotezele formulate pentru descifrarea mecanismului acestor boli arata ca
acesta este comun atat la om cat si la animale si ca la baza lui se afla procesul de
conversie a PrPc in PrPSc. Acest proces de conversie poate fi indus de o serie de
factori, atat endogeni, cat si exogeni, si consta in schimbarea conformationala a
proteinei normale (conversia structurilor α-helix in β-pliate) fara a afecta in nici
un fel compozitia chimica a acestor proteine.
Un rol important in acest proces il au mutatiile de la nivelul genei care
codifica proteina normala; acestea au loc in pozitii fixe si sunt corelate cu
anumite fenotipuri. Desi PrP este implicata in procesul neurodegenerativ,
7
Cursul 10
ramane neclar daca neurotoxicitatea PrPSc sau pierderea functiei PrPc (de
exemplu activitatea superoxid dismutazica), este determinantul major al
manifestarilor clinice.
Fenilcetonuria
Un numar mare de anomalii congenitale in metabolismul aminoacizilor
afecteaza creierul. Cele mai importante dintre acestea sunt prezentate in tabelul
8-1. Aceste defecte metabolice sunt exprimate in multe organe, dar simptomele
majore sunt insa neurologice: retardare mintala, convulsii, ataxie.
Tabelul 8-1 - Anomalii congenitale in metabolismul aminoacizilor
Boala Aminoacid Defect enzimatic Simptom
Cistationuria Metionina Cistationidaza Retardare mentala
Histidinemia Histidina Histidaza Retardare mentala
Fenilcetonuria Fenilalanina Co-factorii fenilalaninei
hidroxilazei
Deficite mentale
severe
Tirozinemia Tirozina Tirozin transaminaza Retardere mintala
Cea mai cunoscuta anomalie este fenilcetonuria (PKU). Defectul este la
nivelul sistemului enzimatic care catalizeaza transformarea fenilalaninei in
tirozina. Aceast lucru necesita fenilalaninhidroxilaza si tetrahidrobiopterina
(BH4) drept cofactori. In PKU, fenilalaninhidroxilaza este deficitara (fig. 10-5).
In forma sa clasica, semnele clinice ale fenilcetonuriei devin evidente inca
de la varsta de sase luni si constau in tremuraturi, convulsii, hipertonie si
hiperkinezie musculara, urmate de reducerea vizibila a pigmentatiei pielii,
parului si ochilor, iar daca in primele 2-3 luni de la nastere boala nu este
descoperita si tratata printr-un regim alimentar sarac in fenilalanina timp de cel
putin 4-5 ani, fenomenul de retardare mentala devine inevitabil si ireversibil (fig
10-6).
PKU este o boala autosomal recesiva. Aceasta inseamna ca pentru a
manifesta boala persoana trebuie sa mosteneasca cate o gena cu defect
cromozomial de la fiecare parinte. Daca mosteneste gena de la un singur parinte,
persoana este purtatoare de gena, dar nu manifesta boala.
8
Cursul 10
Fig. 10-5 – Defectul
metabolic din
fenilcetonurie – sistemul
enzimatic responsabil de
catalizarea fenilalaninei la
tirozina este deficitar; in
consecinta, se foloseste
mai mult calea catre acid
fenilpiruvic.
Fig. 10-6 - Semnele clinice ale fenilcetonuriei.
9
Cursul 10
Maladia Huntington
Maladia Huntington (MH) este o boala neurodegenerativa progresiva cu
transmitere autozomal dominanta completa, in care oricare purtator al unei alele
mutante va dezvolta boala.
MH se manifesta in jurul varstei de 35 de ani, iar moartea survine la 10-20
de ani dupa declansarea bolii. Simptomele bolii sunt: modificari de
personalitate, degradare cognitiva pana la dementa, distonie, si dereglari ale
miscarilor care devin sporadice, incontrolabile. Patologia este limitata la nivel
cerebral; atrofia se produce in special in striatum si este mai putin extinsa in
cortex.
Huntingtina, aspecte normale si patologice
MH este cauzata de o expansiune a trei nucleotide CAG (citozina,
adenina, guanina) care se repeta in apropierea capatului 5’ al genei IT 15.
Aceasta gena, localizata pe bratul scurt al cromozomului 4 codifica o proteina de
350kDa, ubiquitara, cu functie putin cunoscuta, numita Huntingtina (htt).
Trinucleotidul CAG, de la nivelul exonului 1 al genei IT 15 contine la capatul
N-terminal o regiune poliglutaminica (poli Q) cu lungime variabila. Influenta
expansiunii poli Q asupra functionarii htt este insa putin cunoscuta.
In figura 10-7 se prezinta doua ipoteze pentru a explica pierderile
neuronale in MH. Prima este ipoteza excitotoxicitatii directe indusa de nivelurile
crescute de glutamat care deschid canalele ionice (4) ce produc cresterea
concentratiei Ca2+ intracelular, perturband activitatea mitocondriala. A doua
ipoteza este cea a excitotoxicitatii indirecte – disfunctia mitocondriala limiteaza
functionalitatea pompelor ATPazice (Na-/K+ si Ca2+) producand o depolarizare
partiala a neuronului (2), care determina eliminarea blocajului realizat de catre
Mg2+ la nivelul canalului de calciu asociat cu receptorul NMDA (3). Activitatea
canalului de Ca2+ declanseaza in consecinta cascada excitotoxica (4), (5).
10
Cursul 10
Fig. 10-7 –
Mecanismul apoptotic
indus de htt umana.
Depresia
Bazele neurobiologice in depresie
Actualmente, sunt suficient de numeroase argumente, privind implicarea
unor circuite neuroanatomice si a unor sisteme de neurotransmitatori (NT) in
neurobiologia depresiei primare sau secundare. Astfel, sunt 2 circuite
neuroanatomice, care sunt acreditate cu responsabilitati in fiziopatologia
tulburarilor afective, si anume:
- circuitul cortico-talamo-limbic, care include amigdala, nucleul
mediodorsal talamic si cortexul prefrontal;
- circuitul cortico-talamo-pallido-striato-limbic, care include in principal
striatul si globus pallidus.
11
Cursul 10
In tulburarile afective, este posibila o disfunctie in interconectarea acestor
circuite, dar si existenta unor anomalii structurale cerebrale, care impreuna
determina un anumit deficit de functionalitate. De asemenea, a mai fost semnalat
si un deficit in fluxul sanguin cerebral (FSC) si al metabolismului glucozei,
tocmai la nivelul ariilor cerebrale si circuitelor neuroanatomice implicate in
tulburarile afective. Asemenea disfunctii au fost sesizate la nivelul ganglionilor
bazali, lobului temporal, iar reducerea metabolismului in lobul frontal a fost
asociata cu modificarile cognitive. Exista deja observatii, conform carora
scaderea FSC si a metabolismului glucozei se coreleaza adesea cu severitatea
evolutiei clinice atat in depresia unipolara, cat si in cea bipolara. Evaluarile
actuale au stabilit ca anomaliile functionale din structurile frontale, subcorticale
si limbice sunt implicate in etiopatogenia tulburarilor afective. Ipoteza
neurobiologica a depresiei mai aduce in discutie si interactiunea celor 3 sisteme
monoaminergice (5-HT=serotoninergic, NA=noradrenergic, DA=
dopaminergic), avand ca baza activitatea neuronilor 5-HT-ergici, care
controleaza reactivitatea neuronilor NA-ergici. Neuronii NA-ergici in pozitie de
"go-between", intre neuronii 5-HT-ergici si DA-ergici, controleaza amplitudinea
si frecventa activitatii neuronilor DA-ergici din aria tegmentala ventrala, arie
puternic implicata in reglarea timiei. Rezulta ca, practic, cele 3 sisteme de NT se
controleza reciproc, printr-un mecanism de cascada.
1.1 Sistemul serotoninergic
Caile serotoninergice au proiectii la nivelul nucleilor rapheului median,
cortexului cerebral, ganglionilor bazali, cortexului limbic/hipocampic si
hipotalamusului. Sistemul 5-HT-ergic are responsabilitati importante privind
somnul, apetitul, perceptia dureroasa, reglarea termica, functia sexuala si
cognitiva. Studiile prin neuroimagistica functionala au evidentiat 14 subtipuri de
receptori ai 5-HT, distribuiti atat central cat si periferic. Pentru tratamentul
depresiei, un rol deosebit il au receptorii 5-HT 1A, distribuiti la nivelul
cortexului cerebral, sistemului limbic si hipocampului, receptori care sunt
responsabili de instalarea efectului antidepresiv al substantelor antidepresive.
Ipoteza serotoninergica in depresie are la baza observatii ca scaderea nivelului
triptofanului, care determina aparitia simptomelor depresive si un inalt
„binding”(capacitate de legare) al receptorilor 5-HT 2A si 5-HT 2C post mortem
si un scazut „binding” al receptorilor 5-HT 1A in creierul pacientilor depresivi.
O disponibilitate redusa a serotoninei (fig. 10-8 – (1)) favorizeaza
dezvoltarea depresiei, de exemplu:
􀀹 prin inhibarea sintezei de la triptofan;
􀀹 prin inhibarea reacumularii in capatul presinaptic;
􀀹 datorita consumului sporit de serotonina prin formarea de
melatonina inactiva in conditii de intuneric;
12
Cursul 10
Fig. 10-8 – Transmisia serotoninergica
Un efect antidepresiv a fost observat atunci cand actiunea serotoninei sau
stimularea receptorilor serotoninei a fost sporita - fig. 10-8 – (2).
􀀹 Disponibilitatea triptofanului poate fi crescuta prin administrarea
glucozei. Glucoza produce eliberarea insulinei;
􀀹 Inhibitorii MAO sporesc disponibilitatea serotoninei prin inhibarea
clivarii ei;
􀀹 Expunerea la soare inhiba conversia serotoninei la melatonina;
􀀹 Agonistii pot stimula direct receptorii serotoninergici;
1.2 Sistemul noradrenergic
Caile NA-ergice sunt foarte importante pentru conexiunile pe care le
realizeaza la nivelul ariilor prefrontale si frontale, aspect care se regaseste si in
simptomatologia clinica (disfunctie cognitiva). Au fost identificati 5 subtipuri de
receptori ai NA, si anume: A1, A2, B1, B2, B3; receptorii B1 si B2 de la nivelul
cortexului frontal au rolul cel mai important in depresie .
La nivelul sistemului limbic, activitatea NA se reflecta asupra reglarii
nivelului energetic, emotional si motivational. Din punct de vedere fiziologic,
NA are responsabilitati in mentinerea si reglarea dispozitiei, faciliteaza
13
Cursul 10
performantele cognitive, regleaza starea somn-veghe si atenueaza agresivitatea
comportamentala. In concluzie, sindromul deficitului NA-ergic se caracterizeaza
prin depresie inhibata, disfunctie cognitiva, apatie, fatigabilitate,
hiperemotivitate, tulburari de integrare sociala.
Eliberarea si actiunea NA la terminatiile sinaptice poate fi redusa , ducand
la depresie (fig. 10-9 – (1)):
􀀹 Sinteza de NA din triptofan via DOPA poate fi redusa de catre
inhibitori ai enzimei;
􀀹 Reacumularea NA in capatul presinaptic poate fi inhibata;
􀀹 NA poate fi inlocuita la nivelul receptorilor postsinaptici.
Fig. 1
Concentratia NA sinaptice si actiunea ei pot fi insa si sporite, un efect ce
este folosit partial in tratamentul depresiei - fig. 10-9 – (2):
􀀹 Inhibitorii MAO (monoaminoxidaza) pot incetinii clivarea NA in
terminatiile nervoase si astfel sa cresca disponibilitatea ei;
􀀹 Amfetaminele cresc concentratia sinaptica a NA, DA si serotoninei
prin inhibarea transportului transmitatorului;
􀀹 Receptorii pot fi stimulati prin agonisti
0-9– Transmisia noradrenergica
14
Cursul 10
1.3 Sistemul dopaminergic
euronii DA-ergici sunt regrupati in mai multe cai, acestea avand
responsabilitati diferite si anume: calea nigrostriatala, implicata in controlul
motili ii; calea mezolimbica, si mezocorticala cu rol important in aparitia
tulburarilor psihotice si a efectelor terapeutice determinate de substantele
antipsihotice; calea tuberoinfundibulara cu rol in reglarea secretiei hormonilor
hipofizari si mai ales a prolactinei . Receptorii DA-ergici sunt de tip 1 (D1, D5)
si de tip 2 (D2, D3, D4). Ipoteza DA-ergica in depresie a fost sugerata indirect
prin o induse de L-dopa, iar ulterior de
studiil eceptorilor DA-ergici .
Ma
neuronilo
Exista de
cronic si
hipocamp agistica si in depresie.
Raspunsul lui cronic a sugerat ideea ca
aceasta structura anatomica, sub actiunea stresului, GC, aminoacizilor excitatori
si al receptorilor NMDA, suporta un "fenomen de reorganizare si remodelare".
Atrofia ariei CA3 din hipocamp indusa de stres este interpretata ca un raspuns
adaptativ la actiunea cronica a stresului in sine si a GC in fapt, proces care poate
fi prev
N
tat
bservarea efectelor antidepresive modeste
e care au evaluat eficacitatea agonistilor r
1.4 Implicarea hipocampului
joritatea cercetarilor au evidentiat o vulnerabilitate speciala a
r hipocampici din aria CA3, determinata de cresterea nivelului GC.
ja observatii, care au evidentiat faptul ca, sub actiunea unui stress
a unei hipercortizolemii persistente, se produce o scadere de volum a
ului, fenomen evidentiat prin studii de neuroim
neuronilor hipocampici la actiunea stresu
enit prin facilitarea recaptarii 5-HT si care are drept consecinta realizarea
neuroprotectiei (de ex., prin administrare de tianeptina).
15
Cursul 11
Patofiziologia celulei nervoase
Pentru a indeplinii multiplele lor functii, neuronii trebuie sa fie capabili sa
primeasca informatiile de la celelalte celule si de asemenea sa transmita
informatia mai departe. Informatia este captata prin intermediul receptorilor
membranari ce sunt activati de catre neurotransmitatori. Activitatea canalelor
ionice este influentata direct sau prin intermediul mecanismelor intracelulare ale
transmisiei. Astfel, acetilcolina (Ach) deschide canalele cationice nespecifice ce
vor permite pasajul ionilor de Na+ si K+. Ionii de Ca2+ mediaza apoi eliberarea
neurotransmitatorilor de catre celula tinta.
O serie de anomalii pot interfera cu fiecare element al acestei cascade
(fig. 11-1). De exemplu, densitatea receptorilor poate fi redusa prin reglarea
negativa. De asemenea, cateva mecanisme intracelulare de transmisie pot fi
blocate. Un exemplu bun este blocarea proteinelor G de catre anumite toxine
(fig. 11-1 – a).
Fig. 11-1 – Tulburari functionale generale.
Activitatea canelele ionice poate fi blocata sau modificata de catre
medicamente sau Ca2+, Mg2+ si H+. Mai mult, efectul lor asupra potentialului de
membrana poate fi modificat de catre o schimbare a gradientelor ionice, cum ar
fi o crestere sau o scadere mai ales a concentratiei K+ extracelular. Aceste
rezulate au loc atunci cand ATP-aza Na+/K+ dependenta este inhibata, de
exemplu datorita unui deficit energetic. Transportul axonal precum si sinteza,
depozitarea, eliberarea si inactivarea neurotransmitatorilor (fig. 11-1 – b) pot fi
afectate de catre deficite genetice sau medicamente.
1
Cursul 11
De asemenea afectiunile pot duce la leziuni ireversibile ale neuronilor. Pe
langa moartea celulara (necroza), un rol important joaca si apoptoza (moartea
celulara programata) (fig. 11-1 – c). Distrugerea neuronilor va duce la o afectare
ireversibila a functiilor lor, chiar daca alti neuroni pot prelua partial functiile
celulei moarte.
Substantele toxice trebuie sa treaca de bariera hemato-encefalica pentru a
ul nervos central (SNC) (fig. 11-2).
ajunge la neruronii din sistem
era hemato-encefalica.
bariera hemato-encefalica intacta impiedica pasajul majoritatii
substa
a un axon este sectionat (fig. 11-3), partile distale ale axonului vor
muri
Fig. 11-2 – Bari
O
ntelor si previne trecerea celulelor imunocompetente. Totusi, anumite
toxine ajung la neuronii din maduva spinarii prin intermediul unui transport
axonal retrograd via nervilor periferici, si astfel ele evita bariera hematoencefalica.
De asemenea, si anumiti virusi pot ajunge la nivelul SNC in acest
mod.
Dac
(degenerarea Waller). Axonii neuronilor centrali nu vor creste din nou.
Printre cauzele care produc acest fenomen amintim absenta factorului de
crestere nervos (NGF), ce este in mod normal eliberat de catre celula
postsinaptica. Intreruperea transportului axonal retrograd intr-un axon intact
duce la moartea neuronului. Radacina proximala a axonului periferic poate
creste din nou (fig. 11-3 – b). In acest scop proteinele se sintetizeaza in interiorul
celulei si sunt transportate la locul leziunii prin intermediul transportului axonal.
O explicatie plauzibila pentru supravietuirea celulei afectate este aceea ca
macrofagele ce migreaza in nervul periferic stimuleaza prin intermediul
2
Cursul 11
interleukinei 1 celulele Schwann pentru a produce NGF. Macrofagele nu sunt
totusi capabile sa intre in SNC.
Fig. 11-3 – Sectionarea
emielinizarea
axonului si regenerarea.
D
oritatea axonilor au o teaca de mielina (fig. 11-4).
Aceas
ctiune,
depola
La vertebrate, maj
ta este formata de doua tipuri de celule gliale: celulele Schwann (care
formeaza mielina axoniilor la periferie) si oligodendrocitele care mielinizeaza
axonii din sistemul nervos central. O diferenta importanta este ca o
oligodendrocita mielinizeaza mai multi neuroni, in timp ce o celula Schwann
numai unul, deci axonii de la periferie se mielinizeaza mult mai usor. Mielina
izoleaza fibra electric, ceea ce duce la o conductanta mai buna. In plus, teaca de
mielina este intrerupta la intervale fixe; aceste locuri se numesc noduri Ranvier,
numite si strangulatiile lui Ranvier. In fibrele mielinice impulsul se propaga
saltatoriu de la un nod (R1) la altul (R2) (conducere saltatorie), mult mai rapid
decat in fibrele amielinice (conducere continua, din aproape in aproape).
Segmentul internodal singur nu poate genera un potential de a
rizarea segmentului urmator fiind dependenta de curentul primit de la
primul nod (R1). Totusi acest curent este de obicei atat de puternic incat poate
chiar sari peste noduri. In drumul sau de-a lungul segmentului internodal,
amplitudinea curentului va diminua. Mai intai, membrana de la nivelul
segmentului internodal trebuie sa isi schimbe polaritatea – potentialul electric al
3
Cursul 11
membranei trebuie descarcat, astfel incat este necesar un curent electric (fig. 11-
4 sageata verde). Mai mult, curentul poate trece prin intermediul unor canale
ionice in membrana axonului (sageata portocalie). Totusi mielinizarea
segmentului internodal duce la cresterea rezistentei membranare (Rm) si la
scaderea capacitatii de condensare a membranei (Cm).
Rezistenta membranei axonale a segmentului inernodal este foarte
crescu
fi cauzata de leziuni
degen
Fig. 11-4 – Dezvolatea si efectele demielinizarii.
ta datorita densitatii scazute a canalelor ionice. Mai mult, spatiul
perimembranos este izolat de catre un strat de lipide din spatiul extracelular.
Capacitatea scazuta de condensare a membranei se datoreaza distantei mari
dintre interiorul axonului si spatiul extracelular liber.
Demielinizarea (fig. 11-4 dreapta) poate
erative, toxice sau inflamatorii ale nervilor sau de o deficienta a vitaminei
BB
curentul generat in R1 nu
este c
6 sau B12. Rm va scadea si Cm va creste in segmentul internodal. Astfel, va fi
necesar un curent din ce in ce mai mare pentru a schimba polaritatea
segmentului internodal (sageata verde) si prin deschiderea canalelor ionice pot
avea loc pierderi mari de curent (sageata portocalie).
Daca dupa pierderile din segmentul internodal
apabil sa depolarizeze R2, excitatia se intrerupe, chiar daca axonul este
perfect intact. Frecventa inalta a potentialelor de actiune si temperaturile scazute
favorizeaza intreruperea conducerii datorita scaderii sensibilitatii in nodul R2
4
Cursul 11
(1). Leziunile minore ale segmentului internodal pot duce la o incetinire a
conducerii, deoarece nu se mai poate sari peste noduri si nodul urmator trebuie
sa fie depolarizat pana cand excitatia trece la nodul urmator (2). Aceasta
incetinire ce apare nu va fi la fel in toate tipurile de fibre, astfel incat poate avea
loc dispersia temporala a semnalului. In sfarsit, zona lezata poate declansa un
potential de actiune, in special cand axonul a suferit concomitent leziuni
spontane sau este sub presiune mecanica (3); excitatia poate sari de-a lungul a
doua fibre nervoase vecine lezate (4) sau conducerea poate avea loc retrograd
(5).
Defectele genetice ale proteinei tecii de mielina (de exemplu proteina O)
sau a
ea mai importanta anomalie privind demielinizarea este scleroza
jonctiunilor gap in celulele Schwann (conexina 22) duc la cateva
neuropatii periferice ereditare (sindromul Charcot-Marie-Tooth, sindromul
Dejerine-Sottas, maladia Pelizaeus-Merzabacher).
C
multipla. Scleroza multipla (SM) este mai frecventa la femei decat la barbati;
poate exista chiar si o agregare familiala – HLA3 si HLA7. Este o boala
autoimuna declansata de o infectie virala.
Procesul patologic
O caracteristica importanta a SM o constituie deteriorarea mediata
imuno
Fig. 11-5 – Principalele
Unii axoni nu sunt intrerupti morfologic la nivelul placii, dar absenta tecii
de m
logic a unitatii oligodendrocit-mielina. Aceasta deteriorare are loc in mai
multe zone si culmineaza cu leziunea caracteristica bolii, reprezentata de placile
de demielinizare diseminate in substanta alba (fig. 11-5).
modificari patologice ale
celulelor implicate in SM – (A)
si (B) ilustreza mansonul
perivascular acut si placa
astrogliotica de demeilinizare
cronica; (C) si (D) reprezinta
imaginile oligodendrogliei si
microgliei.
ielina face imposibila conducerea saltatorie. Ca urmare, conducerea
axonala se face lent, ceea ce determina deficitul neurologic. In plus, multi axoni
5
Cursul 11
sunt lezati sau distrusi, contribuind in mare masura la deficitul neurologic. Pe
langa axonii lipsiti de mielina (denudati), cicatricea gliala contine mai ales
astrocite, in timp ce oligodendrocitele – celulele gliale din SNC – care sustin si
intretin tecile de mielina sunt absente. Al treilea tip de celule gliale, microgliile,
desi sunt prezente in numar mic in placile cronice, au un rol important in
initierea si propagarea leziunilor inflamatorii acute. Deci, se pare ca toate
tipurile principale de celule din SNC sunt implicate in patogenia SM (fig. 11-6).
ig. 11-6 – Evidentierea
Pentru investigatiile morfologice ar fi deosebit de utila diferentierea intre
activit
r de degradare ai mielinei in citoplasma macrofagelor (fig.
􀀹 participa la demielinizare (fig. 11-7 C si D).
F
celulelor din SNC in vitro prin
IF – (A) celula progenitoare; (B)
oligodendrocit; (C) microglie;
(D) astrocit; (E) neuron marcat
cu β tubulina.
atea inflamatorie si cea demielinizanta a placilor din SM. Demielinizarea
activa este prezenta numai intr-o perioada limitata din dezvoltarea unei leziuni
in SM, pe cand inflamatia este prezenta in toate stadiile de dezvoltare ale placii,
chiar in absenta demielinizarii active. Cel mai bun indicator al demielinizarii
active este prezenta:
􀀹 produsilo
11-7 A si B)
celulelor care
6
Cursul 11
Fig.
e la marginea substantei albe, cu macrofage care contin in
11-7 – Indicatori ai demielinizarii in SM – (A) si (B) leziuni
demielinizante activ
citoplasma produsii de degradare marcati (+) pentru proteina oligodendrocitului
mielinei (A) sau pentru proteina bazica a mielinei (B). (C) Macrofagele pot fi
observate la marginea placii (sageti) sau distribuite difuz in placa (capete de
sageti). (D) Activarea microgliilor este vizibila in substanta alba.
Tulburarea transmisiei neuromusculare
enimente (fig. 11-8) ce
poate fi intrerupta in diferite momente. Potentialul de actiune este transmis prin
activa
Transmisia neuromusculara este o secventa de ev
rea canalelor de Na+ pana la nivelul terminatiilor nervoase, unde
depolarizeaza membrana celulara si deschide astfel canalele de Ca2+ dependente
de voltaj. Ionii de Ca2+ care intra in terminatia nervoasa mediaza fuziunea
veziculelor ce contin Ach cu membrana presinaptica, si astfel Ach este eliberata
in fanta sinaptica. Ach se leaga de receptorii de la membrana presinaptica si
astfel in acest mod se deschid canalele cationice nespecifice. Depolarizarea
membranei presinaptice este transmisa la membrana postsinaptica unde prin
deschiderea canalelor de Na+ dependente de voltaj se initiaza un potential de
actiune ce se raspandeste rapid de-a lungul intregii membrane musculare; Ach
este clivata apoi de catre acetilcolinesteraza.
7
Cursul 11
zicele locale,
de exemplu, inhiba canalele de Na+ dependente de voltaj ale neuronului si astfel
intreru
el la o inactivare a canalelor de Na
postsi
Fig. 11-8 - Tulburarea transmisiei neuromusculare
Anomaliile pot afecta orice element al acestui proces. Aneste
pe transmisia nervoasa. Canalele de Ca2+ pot fi blocate de catre anticorpi.
Toxina botulinica inactiveaza sinaptobrevina, proteina responsabila pentru
atasarea veziculelor cu Ach la membrana plasmatica si pentru eliberarea Ach.
Receptorii Ach pot de asemenea fi blocati de catre anticorpi ce accelereaza si
mai mult ruperea acestor receptori. Receptorii mai pot fi blocati si de curara ce
inhiba competitiv legarea Ach la receptori.
Succinilcolina duce la stimularea continua a receptorilor, depolarizarea
continua a membranei postsinaptice si astf +
naptice. In acest mod pot bloca transmisia neuromusculara. In cazul unor
concentratii scazute, substantele care inhiba acetilcolinesteraza (fizostigmina)
sporesc transmisia neuromusculara prin cresterea disponibilitatii Ach in fanta
sinaptica. Totusi in cazul unor doze mari, ei inhiba transmisia neuromusculara
deoarece concentratiile mari de Ach produc depolarizarea continua a membranei
presinaptice si astfel inactiveaza canalele de Na+ postsinaptice.
Cea mai importanta boala ce afecteaza placa neuromusculara este
miastenia gravis, o paralizie musculara ce rezulta prin blocarea transmisiei
neurom
une naturale de aparare ale
organi
usculare. Miastenia gravis este o disfunctie neuromusculara caracterizata
in special prin slabiciune si oboseala musculara.
Miastenia gravis (fig. 11-9) se produce datorita unei reactii imune
anormale, in cadrul careia prin mecanismele im
smului (generarea de anticorpi) sunt atacati necorespunzator si distrusi
progresiv anumiti receptori musculari, care primesc impulsurile nervoase
(raspuns autoimun mediat de anticorpi).
8
Cursul 11
Fig. 11-9 – Miastenia gravis
poate fi cauzata de o infectie cu virusi ce au o
structura asemanatoare receptorilor Ach. Miastenia poate apare si la pacientii cu
cu o tu
favorizeaza formarea
lui, or
piteliale atat in
timusu
Acesta boala autoimuna
mora a timusului. Formarea de astfel de anticorpi este favorizata la cei ce
prezinta subtipurile complexului major de histocompatibilitate DR3 si DWx2.
La pacientii cu miastenia gravis, stimularea repetitiva a neuronilor motori a
insumat potentialul de actiune a carui amplitudine va scadea totusi prin cresterea
progresiva a „fatigabilitatii” transmisiei neuromusculare.
In miastenie au fost depistate si proteine care au o mare importanta. Se
considera ca ele nu sunt specifice raspunsului imun, dar
ganizeaza migratia celulelor sau intensifica contactele intercelulare in
procesul recunoasterii antigenului. Moleculele de adeziune celulara
aprovizioneaza interactiunea mecanica a celulelor. Cercetarea acestor proteine
in neoplasmul de timus are o mare importanta, deoare modificarea cantitatii
moleculelor mentionate este legata de metastazare, iar cresterea densitatii
moleculelor adezive induce reactiile metabolice intracelulare.
Colectina este o porteina ce apartine grupului de lectine calciu
dependente (lectine colagene). Ea este sintetizata de celulele e
l miastenic hiperplastic sau tumoral schimbat, cat si in cel al copiilor.
Acesta proteina joaca un rol important in interactiunele intercelulare in
miastenie. Este cunoscut faptul ca micsorarea expresiei de AChR este legata
posibil de dereglarile actiunii modulatoare a peptidului calcitonino-gen-legat.
Acest peptid regleaza sinteza AChR postsinaptice, sporeste actiunea
acetilcolinei si influenteaza direct asupra proteinelor contractile ale muschilor
striati.
9
Cursul 11
O alta boala autoimuna ce implica transmisia neuromusculara este
sindromul pseudomiastenic Lambert si Eaton (fig. 11-10).
pseudomiastenic
Tulburarile unitatii motorii
Fig. 11-10 – Sindromul
ntr-un motoneuron, un axon asociat si
fibrele nervoase inervate de catre colateralele sale. Functionalitatea unitatii
motor
a prin degenerarea progresiva a
moton
amente intermediare, care intra
in alca a prin
copoli
O unitate motorie este alcatuita di
ii poate fi afectata de catre maladii ale motoneuronului, prin intreruperea
sau incetinirea conducerii axonale sau prin lezarea muschiului.
Motoneuronii α pot fi infectati de catre poliovirusi care il distrug
ireversibil.
Scleroza laterala amiotrofica (SLA) denumita si maladia Charcot,
este o maladie neurologica caracterizat
euronilor, care antreneaza paralizia si moartea. Scleroza laterala
amiotrofica poate fi cauzata in mod primar de o tulburare a transporului axonal
ce duce ulterior la moartea motoneuronilor α.
Acumularea anormala de neurofilamente (NF) in motoneuroni reprezinta
o caracteristica patologica importanta a SLA.
Structura si functia neurofilamentelor
Neurofilamentele sunt un tip special de fil
tuirea citoscheletului din celulele nervoase. Neurofilamentele rezult
merizarea a trei proteine: lantul usor al neurofilamentului (NF-L), mediu
(NF-M) si greu (NF-H) (fig. 11-11) . Neurofilamentele sunt abundente in special
in axonii de talie mare ai motoneuronilor si in anumiti neuroni din ganglionii
10
Cursul 11
spinali de pe radacina dorsala. NF sunt implicate si in controlul dimensiunii
axonilor din nervii periferici.
Fig. 11-11 – Asamblarea celor trei subunitati in neurofilamente.
In structura NF exista si al patrulea tip de proteina – periferina. In mod
norma
ofilamente, adesea numite corpi Lewy, mai
sunt i
lege modul in care aglomerarea neurofilamentelor poate
provo
un mecanism analog ar putea contribui la patogenia SLA la om (fig. 11-12).
l, perfirina este foarte slab reprezentata in motoneuroni. Totusi se stie ca
expresia genei periferinei poate fi indusa printr-o leziune nervoasa si prin
citokinele inflamatorii de tipul IL-6.
Acumularile anormale de neur
ntalnite si in alte maladii, dintre care mentionam maladia Parkinson si
maladia Alzheimer.
Pentru a inte
ca degenerescenta axonala, a fost examinat transportul axonal la soarecii
care exprimau gena NF-H umana. S-a constatat o reducere importanta a
transportului proteinelor neurofilamentelor, dar si al altor proteine care intra in
structura citoscheletului, cum ar fi tubulina si actina. La examenul microscopic,
s-a evidentiat si o reducere masiva a mitocondriilor din axoni. Aceste rezultate
demonstreaza ca acumularea de neurofilamente poate uneori sa interactioneze cu
transportul axonal al unor elemente esentiale pentru mentinerea axonului si ca
11
Cursul 11
Fig. 11-12 – Mecanismul
neurodegenerescentei indus de
acumularea excesiva a
neurofilamentelor.
enii de stiinta au descoperit
ca mutatiile in gena care produce enzima SOD1 au fost asociate cu cateva cazuri
e SLA. Aceasta enzima este un antioxidant puternic ce protejeaza organismul
e leziunile produse de radicalii liberi. Daca nu sunt neutralizati, radicalii liberi
se pot
gi la
cantita
Un pas important a fost facut atunci cand oam
d
d
acumula si pot produce leziuni ale ADN-ului si proteinelor celulare.
Studiile au fost focalizate si asupra rolului glutamatului in degenerarea
motoneuronilor si au aratat ca, in comparatie cu oamenii normali, pacientii cu
SLA au nivele crescute ale glutamatului in ser. Studiile in laborator au
demonstrat ca neuronii incep sa moara cand sunt expusi pe perioade mai lun
ti excesive de glutamat. Esecul astrocitelor de a capta glutamatul din
lichidul extracelular care inconjoara neuronii a fost propus ca o cauza a acestei
degenerari mediate de glutamat.
12
Cursul 12
Schizofrenia
Schizofrenia este o boala mintala din categoria psihozelor endogene care
se caracterizeaza prin aparitia unor manifestari psihopatologice majore:
halucinatii, deliruri, tulburari formale de gandire, tulburari afective, tulburari de
comportament, dezorganizarea personalitatii.
Schizofrenia nu are o singura cauza, aparitia ei se datoreaza interactiunii
mai multor factori biologici, psihologici si culturali cu o vulnerabilitate genetica
predispozanta.
Factori de risc genetici
O mare parte dintre genele candidate pentru schizofrenie sunt implicate in
procesul de dezvoltare al creierului; cercetarea lor la populatia cu debut precoce
al bolii indica o legatura cu prezenta premorbida a anomaliilor de
neurodezvoltare. Exprimarea acestor gene este variabila, se realizeaza in etape si
in regiuni cerebrale diferite. Exista gene ale neurodezvoltarii a caror exprimare
creste semnificativ in perioada adolescentei. De asemenea, exprimarea genica
poate fi influentata de factori epigenetici, principalele mecanisme prin care acest
lucru poate fi realizat fiind metilarea ADN si modificarea structurii cromatinei.
Clonarea pozitionala, genomica functionala, citogenetica si studiile de
exprimare postmortem sunt principalele tehnici utilizate in prezent pentru
depistarea genelor legate de vulnerabilitatea la schizofrenie. Aceste gene
prezinta se pare legaturi specifice cu unele aspecte critice ale neurodezvoltarii,
dupa cum urmeaza:
􀀹 disbindina (DTNBP1, 6p22.3) - asociata cu o performanta academica si
adaptare sociala scazuta in perioada premorbida; ea influenteaza
exprimarea genelor proteinelor presinaptice, finnd implicata in eliberarea
glutamatului si in protectia neuronala;
􀀹 G72 (D-amino acid oxidaza - DAOA, 13q33.2) - asociata cu debutul
tardiv in schizofrenie si cu tulburarea bipolara;
􀀹 GAD1 (decarboxilaza acidului glutamic - enzima-cheie in sinteza GABA
la nivelul interneuronilor inhibitori), este asociata cu o pierdere crescuta
de substanta cenusie prefrontala in perioada adolescentei, precum si cu
prezenta anomaliilor miscarilor oculare; ea prezinta o exprimare maxima
in perioada de migrare si diferentiere neuronala;
􀀹 NRG1 (neuroregulina), cu rol in migrarea si conectivitatea neuronala,
mielinizare, semnalizare celulara si plasticitate sinaptica. Este posibil ca
implicarea sa in schizofrenie sa se realizeze diferit in functie de etapa de
neurodezvoltare prenatala, la nivelul organizarii neuronale, iar postnatal,
la nivelul comunicarii sinaptice;
􀀹 studii postmortem au aratat ca ARNm pentru glicogen-sintetaz-kinaza 3
(GSK3) beta, factor pro-apoptotic, este semnificativ scazut (40%) la
1
Cursul 12
schizofreni, in cortexul prefrontal dorsolateral, nu si in cortexul occipital -
existand astfel o specificitate regionala. Inactivarea GSK3 duce la
acumularea de beta-catenina cu actiune asupra exprimarii genelor
implicate in neurodezvoltare;
􀀹 gena asociata cu proteina DISC1 (cu posibil rol critic in dezvoltarea
hipocampului) este afectata in unele boli psihiatrice majore, inclusiv in
schizofrenie.
Sindroamele genetice cu componenta clinica de tip psihotic ar putea oferi
informatii importante cu privire la defectele genetice si de neurodezvoltare din
schizofrenie. Astfel:
􀂾 ca si in schizofrenie, s-a remarcat la persoanele cu aneuploidii ale
cromozomilor sexuali (precum sindromul Klinefelter - XXY) o inversare
a asimetriei corticale frontale si temporale fiziologice. S-a emis de aici
ipoteza ca genele raspunzatoare pentru dezvoltarea asimetriei corticale
fiziologice ar putea fi localizate pe cromozomul X, fiind posibil implicate
in schizofrenie;
􀂾 sindromul velocardiofacial (cauzat de o microdeletie la nivelul 22q11)
este considerat de unii autori un subsindrom genetic din spectrul
schizofreniei. Microdeletia la nivel 22q11 este al doilea factor de risc
genetic cunoscut pentru schizofrenie (crescand riscul de boala de 25 de
ori), dupa acela de a avea un geaman monozigot cu schizofrenie.
Neurobiologia schizofreniei
In schizofrenie exista un flux redus de sange si glucoza in special in
cortexul prefrontal, si de asemenea o scadere a numarului de neuroni (fig. 12-1
a).
Atrofia spinilor dendritici ai celulelor piramidale a fost intalnita in
cortexul prefrontal si in girusul cingulat. Spinii dendritici contin sinapse
glutaminergice; transmisia lor glutaminergica este astfel perturbata (fig. 12-1 b).
In plus, in aria afectata, formarea GABA si/sau numarul neuronilor GABAergici
pare a fi redus, astfel incat inhibitia celulelor piramidale este redusa.
Implicarea neurotransmisiei dopaminergice in schizofrenie este astazi
unanim acceptata (fig. 12-1 a). Modelul actual descrie:
o hipofunctie dopaminergica la nivelul cortexului prefrontal,
raspunzatoare de tulburarile cognitive si de simptomele de tip negativ;
o hiperfunctie dopaminergica limbica (prin dezinhibitie), raspunzatoare
de simptomele de tip psihotic si implicata in primul rand in responsivitatea
terapeutica.
Eliberarea si activitatea dopaminei sunt sporite de cateva substante care
promoveaza dezvoltarea schizofreniei (fig. 12-1 c). Astfel, tratamentul
dopaminergic al maladiei Parkinson poate duce la aparitia schizofreniei:
􀀹 L-Dopa duce la o intensificare a formarii si eliberarii dopaminei;
2
Cursul 12
􀀹 Inhibitorii monoaminooxidazei (MAO) inhiba clivarea dopaminei si
astfel cresc disponibilitatea eliberarii in fanta sinaptica;
􀀹 Cocaina stimuleaza de asemenea eliberarea dopaminei in fanta
sinaptica;
􀀹 Amfetaminele inhiba reacumularea dopaminei in terminatiile
nervoase presinaptice.
In schimb substantele antidopaminergice pot imbunatatii schizofrenia:
fenotiazidele si haloperidolul inlocuiesc dopamina de la nivelul receptorilor si
astfel au un efect antidopaminergic.
Este posibil ca si serotonina sa joace un rol important in aparitia
simptomelor schizofreniei.
Fig. 12-1 - Schizofrenia
3
Cursul 12
Modelele de neurodezvoltare ale schizofreniei
In ultima decada, conceptul de schizofrenie privita ca o tulburare a
neurodezvoltarii a luat amploare. Putem distinge trei modele care incorporeaza
idei din psihopatologia de dezvoltare: modelul „precoce”, modelul „tardiv” si un
al treilea model, „de risc”.
􀀹 Modelul de neurodezvoltare precoce
Chris Hollis a avansat ideea ca neuropatologia schizofreniei este de
origine perinatala. Acest model vede cauza primara a schizofreniei ca o leziune
statica aparuta in timpul dezvoltarii creierului fetal. Leziunea incriminata ar
putea fi de origine neurogenetica sau de mediu (infectii virale sau hipoxia
fetala).
Doua argumente importante vin sa sustina modelul de neurodezvoltare
precoce:
1. Studiile post-mortem ale morfologiei creierului au raportat absenta gliozei
si posibile anomalii in migrarea neuronala, care sugereaza ca modificarile
cerebrale sunt cauzate mai degraba de neurodezvoltarea aberanta decat de
neurodegenerare.
2. A doua linie de dovezi (mai indirecta) include asocierea schizofreniei cu
afectarea premorbida sociala si cognitiva si cu anomalii fizice minore.
Sunt cateva puncte slabe ale acestui model: primul nu ofera o explicatie
satisfacatoare in legatura cu latenta lunga intre afectare (leziunea perinatala) si
debutul tipic al simptomelor in adolescenta tarzie sau la adultul tanar, al doilea -
o leziune precoce de neurodezvoltare nu poate explica prin ea insasi
descoperirea ca spatiul extracerebral sulcal este crescut pentru lichidul
cerebrospinal in schizofrenie. Pierderea difuza de tesut cerebral limitata la
perioadele prenatala sau perinatala poate determina marirea ventriculilor laterali,
dar nu si cresterea spatiului extracerebral pentru fluidul cerebrospinal.
􀀹 Modelul de neurodezvoltare tardiv
Chris Hollis sustine ca evenimentele-cheie neuropatologice din
schizofrenie apar ca rezultat al dezvoltarii anormale a creierului in adolescenta,
cand se produce o eliminare sinaptica si/sau denditrica excesiva, determinand o
conectivitate neuronala aberanta si simptome psihotice.
Eliminarea sinaptica excesiva din timpul adolescentei este doar o
amplificare a procesului normal de remodelare neuronala care incepe in
copilarie. Schimbarile majore regresive din adolescenta cu remodelarea
conexiunilor neuronale este posibil sa fie sub control genetic, eliminarea
sinaptica din schizofrenie reprezentand o extrema a variatiei normale. In
modelul tardiv, anomaliile premorbide din copilarie sunt vazute mai degraba ca
o serie de factori de risc nespecifici decat ca manifestari precoce ale unei
4
Cursul 12
neuropatologii schizofrenice subiacente. Ambele modele presupun ca
schizofrenia este o expresie directa si specifica unei patologii cerebrale.
Modelul de risc sustine faptul ca patologia cerebrala precoce si/sau tardiva
reprezinta mai degraba un factor de risc decat o cauza si, deci, efectele ei pot fi
intelese doar in lumina unei expuneri individuale la alti factori de risc sau
protectori.
Neuropatologie
In creierul pacientilor cu schizofrenie, studiat post-mortem, se remarca
absenta gliozei, care este marca necesara pentru neurodegenerare.
Neuropatologia principala din schizofrenie nu este forma clasica ce implica
moartea celulelor neuronale, ci pierderea sau reducerea torsiunilor dentritice si a
sinapselor care sunt elemente ale conectivitatii neuronale. Prin urmare, creierul
din schizofrenie este caracterizat prin modificarea densitatii neuronale, scaderea
spatiului intraneuronal si reducerea, per total, a volumului cerebral. Mai mult,
scaderea densitatii dendritelor pare sa fie regional specifica, fiind gasita in
cortexul prefrontal dorsolateral, randul trei de celule piramidale.
Maladia Alzheimer
Boala Alzheimer este o afectiune degenerativa progresiva a creierului
care apare mai ales la persoane de varsta inaintata, producand o deteriorare din
ce in ce mai accentuata a functiilor de cunoastere ale creierului, cu pierderea
capacitatilor intelectuale ale individului si a valorii sociale a personalitatii sale,
asociata cu tulburari de comportament, ceea ce realizeaza starea cunoscuta sub
numele de dementa .
Manifestarea cea mai caracteristica a bolii este dementa cu caracter
progresiv. Pierderea memoriei este de cele mai multe ori primul semn
ingrijorator al bolii Alzheimer.
La examenul macroscpic creierul arata o reducere accentuata a volumului,
datorita atrofiei scoartei cerebrale (atrofie corticala) cu micsorarea
circumvolutiilor cerebrale (pliurile creierului), predominant in regiunile frontala,
parietala si temporala, largirii santurilor dintre circumvolutiuni, a cisternelor
cerebrale si a ventriculilor cerebrali (hidrocefalie externa si interna).
Examenul histopatologic (microscopic) pune in evidenta, in special prin
folosirea unei tehnici speciale de colorare cu impregnare argentica, leziuni
caracteristice, observate si descrise deja de Alzheimer:
5
Cursul 12
Placile senile (fig. 12-2) (fig. 12-3) vizibile printre celulele nervoase
(neuroni) din creier. Placile senile contin o acumulare de beta-amiloid, care este
un fragment dintr-o proteina pe care organismul o produce in mod normal
(proteina precursoare a amiloidului - beta-APP). In cazul unei persoane
sanatoase, aceste fragmente de proteine sunt degradate si eliminate, in boala
Alzheimer ele se acumuleaza in special la terminatiile presinaptice ale
neuronilor, formand placi insolubile si impiedicand astfel transmiterea fluxului
nervos de la un neuron la altul.
Degenerarea neurofibrilara (fig 10-2) (fig. 12-4) consta in formarea in
interiorul neuronilor a unor fascicole dense de fibre dispuse ca niste ghemuri,
constituite in principal dintr-o proteina numita tau, care in mod normal intra in
alcatuirea unei structuri intracelulare denumita microtubul. Microtubulii au un
rol important in transportul substantelor cu rol nutritiv in interiorul neuronului.
In boala Alzheimer, proteinele tau sunt anormale si microtubulii sunt afectati, iar
neuronii nu mai pot functiona normal.
Degenerare granulo-vacuolara. In citoplasma neuronilor, in special in
hipocamp, apar vacuole ce contin granule de constitutie inca neprecizata.
Fig. 12-2 - Aspect
histologic normal si
patologic in maladia
Alzheimer.
Fig. 12-3 - Placi senile in
scoarta cerebrala a unui
pacient cu boala Alzheimer -
forma presenila (coloratie
Bowie).
6
Cursul 12
Fig. 12-4 - Degenerare neurofibrilara a neuronilor (impregnatie argentica).
Aceste modificari determina progresiv moartea unui numar din ce in ce
mai mare de neuroni, in special in structurile importante pentru activitatile
cognitive: scoarta frontala, hipocampul, nucleul bazal al lui Meynert, astfel incat
creierul nu isi mai poate indeplini normal functiile.
Exista trei ipoteze majore pentru a explica mecanismul de aparitie a bolii
Alzheimer.
• Ipoteza colinergica. Din punct de vedere biochimic s-a constatat o
tulburare a sistemului cerebral de neurotransmitere colinergica si anume o
dimunuare a sintezei neurotransmitatorului acetilcolina (Ach), datorita reducerii
enzimei colinacetilaza, indispensabila acestui proces de sinteza. Acest deficit
este constatat tocmai in formatiile cerebrale interesate in functiunile cognitive,
cum ar fi nucleul bazal al lui Meynert. Pe baza acestei ipoteze s-a introdus
terapia cu inhibitori ai colinesterazei (enzima care scindeaza acetilcolina) pentru
a se mentine astfel o activitate crescuta a neurotransmiterii colinergice interneuronale
in regiunile deficitare.
• Ipoteza alterarii si acumularii de proteina "tau". Ghemurile
neurofibrilare patologice din interiorul neuronilor sunt constituite din agregate
de proteina "tau", datorita unui proces de hiperfosforilare. Nu este insa clar daca
acest proces are un rol cauzal in aparitia bolii sau este de natura secundara.
• Ipoteza acumularii de beta-amiloid. Beta-amiloidul este o peptida ce
rezulta dintr-o proteina precursoare, Amyloid-Precursor-Protein (APP), inserata
pe membrana celulara. Beta-amiloidul, in forma oligomerica insolubila, este
7
Cursul 12
citotoxic si altereaza homeostaza ionilor de calciu, inducand astfel procesul de
aptoptoza (moarte celulara programata). Este de notat ca ApoE4, factorul
genetic de risc major pentru aparitia bolii Alzheimer familiale, favorizeaza
productia in exces de beta-amiloid, inainte de aparitia primelor simptome de
boala. Blocarea productiei de beta-amiloid constituie un obiectiv al cercetarilor
privind o terapie patogenica a bolii.
Depozitele amiloide pot fi inconjurate de laminina, colagen V,
fibronectina, glicozaminoglicani (GAG). Prin tehnicile de imunohistochimie
care utilizeaza anticorpi impotriva amiloidului-β s-a demonstrat exostenta unui
numar mare de depozite in creierul bolnavilor cu Alzheimer, in care lipseau
microgliile si astrocitele modificate. Aceste leziuni sunt denumite placi difuze.
Efectul mutatiilor genetice la nivelul proteinei precursoare a
amiloidului si a presenilinelor PS1 si PS2.
Forma familiala cu debut precoce a bolii Alzheimer se refera la cazul in
care boala afecteaza pacientii la o varsta neobisnuit de precoce, mai putin de 65
de ani si pare a fi transmisa de la parintii afectati la in medie jumatate din copii
lor. Acest tip de pattern dominant autozomal, in sine constituie, de fapt, o forma
rara de boala Alzheimer cu debut precoce si transmisie familiala si este din
punct de vedere genetic heterogena.
Ea implica cel putin existenta a 3 gene (tabel 10-1): gena proteinei
precursoare a amiloidului si genele presenilinelor PS1 si PS2 care actioneaza
asupra a 3 cromozomi separati : 21 pentru proteina precursoare a amiloidului, 14
pentru presenilina1 si cromozomul 1 pentru presenilina 2. Evident ca multiplele
mutatii patogenice in interiorul fiecarei gene este responsabila de aparitia
formelor de boala care ar trebui practic sa produca intr-un numar mult mai mare
de cazuri maladia Alzheimer ceea ce pledeaza cu argumentele unor dovezi
convingatoare asupra faptului ca in producerea bolii Alzheimer sunt implicate
mai multe gene care necesita a fi identificate.
Tabel 10-1
Gena Cromozom Proteina
Presenilin-1 14 S182
Presenilin-2 1 STM2
Amyloid Precursor Protein 21 APP
A 4-a gena implicata in transmiterea bolii Alzheimer este apolipoproteina
E. Apolipoproteina E este una din genele implicate in acest proces foarte
complex, ea este situata pe cromozomul 19 si prezinta la randul ei in comun 3
alele: alela E4, E3 si E2. Alela E4 este asociata cu un risc crescut si o aparitie
mai precoce a bolii Alzheimer. Alela E3 este neutra din acest punct de vedere,
iar alela E2 poate sa aiba efecte protective.
8
Cursul 12
Genotipul apolipoproteinei E moduleaza varsta de aparitie a dementei.
Purtatorii de alele E4 au in medie cel mai precoce debut al bolii, purtatorii de
alele E3 homozigoti sunt situati intr-o pozitie intermediara, iar purtatorii de E2
prezinta un debut intarziat.
Fig. 12-5 – Reteaua de
proteine implicate in
producerea placilor senile.
ERAB - hidroxilsterol
dehidrogenaza reticulului
endoplasmatic; RAGE –
produsi finali de glicozilare
avansata; RE – reticul
endoplasmatic.
Geneticienii sunt optimisti in a aprecia progresele testarilor genetice care
vor deveni intr-un viitor apropiat teste de rutina si in acelasi timp instrumente
esentiale pentru diagnosticarea si explicarea starii de sanatate care potential ar
putea vira catre un proces deteriorativ al pacientilor in sine sau al rudelor
acestora.
Noi gene cu rol determinant in producerea proceselor degenerative si
decelarea cu acuratete a acelor factori de risc care au rol patogen sunt
descoperite pe zi ce trece gratie progreselor biologiei moleculare in acest
domeniu atat de controversat si atat de incarcat de perspective sumbre inca.
9
Cursul 12
Maladia Parkinson
Maladia Parkinson (MP) este una din cele mai importante boli
neurodegenerative. Se caracterizeaza printr-o triada simptomatica – rigiditate
musculara, tremor si bradikinezie – care pot fi insotite si de dificultati in
mentinerea posturii, mers dificil si dementa.
MP este o boala a substantei negre care pe calea tractelor dopaminergice
influenteaza celulele GABA-ergice in striatum.
Cauza acestei maladii este frecvent o dispozitie ereditara ce duce la
degenerarea neuronilor dopaminergici din substanta neagra (fig. 12-6 a). Alte
cauze mai pot include si traumatismele, inflamata, circulatia redusa si tumorile.
Distrugerea celulei are loc partial prin apoptoza; superoxizii joaca un rol
important.
Fig. 12-6 – Maladia
Parkinson.
Pierderea celulelor din substanta neagra scade inervatia dopaminergica a
striatumului (a). Acest lucru duce in primul rand la dezinhibarea neuronilor
glutaminergici din nucleul subtalamic si astfel la o activarea sporita in partea
interna a globului palid si in partea reticulata a substantei negre. In al doilea
rand, activarea dopaminergica a neuronilor striatali inceteaza. Impreuna aceste
procese duc in final la inhibitia excesiva a talamusului.
La nivelul unei sinapse normale dopamina eliberata in fanta sinaptica se
fixeaza pe receptorii postsinaptici D1 sau D2 pentru a-si indeplini actiunea pe
neuronii tinta, dar si pe receptorii D2 presinaptici pentru a-si exercita functia
asupra neuronilor dopaminergici (fig. 12-7 a). La pacientii cu MP denervatia
10
Cursul 12
dopaminergica si diminuarea dopaminei striate induce o hipersensibilizare, deci
o crestere a numarului de receptori postsinaptici (fig. 12-7 b). Aportul exogen de
DA striatala prin tratamentul cu L-DOPA ar putea antrena o internalizare a
unora dintre acesti receptori (fig. 12-7 c).
Fig. 12-7 – Modificari in sinapsele dopaminergice – (A) normale; (B) la
pacientii cu MP netratati; (C) la pacientii cu MP tratati cu L-DOPA.
Inhibitia talamica suprima miscarea voluntara (fig. 12-6 b). Pacientii au
dificultati in initierea miscarilor. Tonusul muscular este sporit (rigor).
In tratamentul maladiei Parkinson (fig. 12-6 c) se incearca sporirea
sintezei dopaminei in neuronii nigrostriatali prin administrarea L-DOPA, un
precursor al dopaminei.
Amfetaminele pot stimula eliberarea dopaminei; de asemenea clivarea
dopaminei poate fi incetinita si de inhibitorii MAO.
Desi tratamentele acutale urmaresc in primul rand ameliorarea
simptomelor, descoperirile legate de patologia moleculara si de mecanismele
mortii celulare in MP au oferit pentru prima data posibilitatea unor tratamente
neuroprotectoare, care urmaresc stoparea sau chiar inversarea procesului
patologic. Succesele inregistrate in acest domeniu sunt impresionante, iar in
viitorul apropiat se profileaza alte progrese in ceea ce priveste intelegerea
relatiilor intre mutatiile genetice, dereglarea metabolismului intern al celulei si
moartea selectiva a celulelor nigrostriatale.
Concluzii finale
Se considera ca neurobiologia reprezinta una din cele mai recente
provocari ale stiintei care isi propune intelegerea bazei biomoleculare a
constiintei si a proceselor mentale prin care omul percepe, actioneaza, invata, isi
aminteste si se gandeste. Sunt aceste procese localizate in zone specifice ale
creierului, sau reprezinta ele o proprietate colectiva emergenta a intregului
creier? Daca procesele mentale pot fi localizate in diferite zone ale creierului,
11
Cursul 12
care sunt regulile care stabilesc legatura intre anatomia si fiziologia unei regiuni
pe de o parte si functia ei specifica in perceptie, gandire sau miscare, pe de alta
parte? Cum comunica neuronii intre ei? Cum este modificata comunicarea
neurala de experienta?
In prezent se poate incerca gasirea unui raspuns la aceste intrebari la
diferite nivele de organizare:
􀀹 la nivel molecular: o intreaga lume de entitati intramembranare (canale
ionice, pompe ionice, receptori de membrana, mesageri secundari)
confera prin distributia si functionarea lor, specificitatea diferitelor
categorii de neuroni (excitatori, inhibitori, etc.);
􀀹 la nivelul retelelor neuronale: functionarea sistemului nervos se bazeaza
pe interconectarea multipla neuronala. Creierul este un organ care prezinta
o complexitate fundamentala (adica, desi pot fi identificate in functionarea
creierului conditii initiale deterministe, solutiile spre care evolueaza
comportamentul sunt nedeterministe sau haotice);
􀀹 la nivelul functiilor mentale (de la perceptie la atentia selectiva) pentru
care s-a reusit cartarea in zone specifice ale creierului. Acest progres se
datoreaza colaborarii intre neurobiologie si psihologia cognitiva.
In prezent, neurobiologia isi deplaseaza centrul de interes de la
unidimensional la tridimensional. Astfel, o secventa liniara (gena) se repliaza
intr-o molecula definita (proteina) care poseda o anumita functie. Neuronul cu
numeroasele sale prelungiri ilustreaza perfect complexitatea si dinamismul
morfofunctional al structurilor supramoleculare.
12
Cursul 13
Corelatii neurofiziopatologice in cadrul tulburarii bipolare
maniaco-depresive
In 1913, pentru prima oara in spatiul german, a fost desemnata de
Kraepelin notiunea de „stare de nebunie maniaco-depresiva”. In acelasi timp,
apar mai multe incercari de definitie a tulburarilor afective si se impune tot mai
mult notiunea de „psihoza maniaco-depresiva”. In 1916, Bleuler defineste
notiunea de „triada depresiva”, intelegand prin aceasta dispozitie depresiva,
inhibitia gandirii si inhibitia functiei centrifuge de a hotari si de a actiona.
K. Leonhard mai tarziu diferentiaza notiunile de “psihoze mono-unipolare
si bipolare”.
Dupa Dunner et al. (1976), tulburarile bipolare sunt de doua tipuri:
tulburarea bipolara I = depresie majora + manie, si tulburarea bipolara II -
depresie majora + hipomanie. In mod tipic, tulburarile bipolare constau in
alternanta episoadelor maniacale si a celor depresive, intrerupte de perioade de
normalitate.
Din punct de vedere etiologic, se iau in consideratie modele
neurobiologice si genetice. Factorii psihosociali sunt considerati favorizanti
pentru declansarea mai ales a episoadelor depresive, insa nu sunt determinanti.
In special la tulburarea afectiva bipolara un rol primordial il joaca factorii
genetici, rata de concordanta la gemenii monozigoti fiind de 65%, iar la cei
dizigoti, de 20%. Rata de morbiditate la rudele bolnavilor cu tulburare bipolara
este cuprinsa intre 5% si 25%.
Neurobiologic, se vorbeste despre o lipsa de echilibru intre
neurotransmitatori (in special cresterea concentratiei aminelor in spatiul sinaptic,
niveluri scazute de noradrenalina si serotonina - in cazul episoadelor depresive -
si accelerarea metabolismului catecolaminelor - in cazul episoadelor maniacale);
de asemenea, este invocata modificarea densitatii si sensibilitatii receptorilor.
Teoriile asupra comportamentului uman au acordat o importanta
deosebita legaturilor dintre emotie si cognitie, un binom ce are la baza
conexiuni specifice intre regiuni neocorticale si arii limbice discrete. Aceste
legaturi primare dau nastere unor sisteme relationale neocortico-limbice,
care, la randul lor, se afla sub influenta regulatoare a unui metasistem cu
functii integrative (de aceea nu putem vorbi despre un „sistem limbic” in
acceptiunea clasica, ci despre sisteme multiple, mixte, de tip neocorticolimbic).
1
Cursul 13
Dezvoltarea conexiunilor functionale dintre structurile limbice si cele
neocorticale este de multa vreme considerata drept un punct critic in cadrul
evolutiei comportamentului emotional complex. Observatiile clinice cotidiene
confirma de o maniera foarte clara efectele intrusive si inseparabile ale
schimbarilor tonusului afectiv asupra memoriei, capacitatii prosexice si a altor
abilitati cognitive.
Studiile de anatomie comparata furnizeaza dovezi concludente in sprijinul
acestor observatii. Caile reciproce de legatura intre structurile limbice de linie
mediana (cortexul cingulat, hipotalamusul, hipocampul, complexul amigdalian)
si regiuni vaste de la nivelul trunchiului cerebral, nucleilor bazali, ariilor
paralimbice si neocorticale (fig. 13-1) sunt bine documentate in prezent, iar
aceste regiuni limbice sunt considerate a fi responsabile pentru integrarea
sistemica a informatiilor intero- si exteroceptive absolut necesare pentru
procesarea senzoriala si cognitiva din cadrul proceselor emotionale umane, atat
a celor normale, cat si a celor patologice.
Fig. 13-1 – Reprezentare schematica a conexiunilor aferente ale
lobului frontal atat cu lobii parietali, girusurile temporale superioare si
medii, cat si girusurile cingular si hipocampic.
2
Cursul 13
Experimentele neurofiziologice de data recenta si-au propus nu numai sa
localizeze la nivel cerebral zonele responsabile pentru afect (groaza, furie) si
capacitatile cognitive, ci s-au focalizat intens asupra mecanismelor care stau la
baza interactiunii dintre ele. Afectul a fost asociat predominant cu ariile limbice
si paralimbice (cortexul cingulat, limenul si girul lung al insulei Reil), precum si
cu ariile prefrontale. Vom trece in revista in cele ce urmeaza cele mai
semnificative modificari neurofiziopatologice observate in cadrul tulburarii
bipolare:
A. La pacientii aflati in faza maniacala, studiile au demonstrat o
diminuare a activarii cortexului prefrontal rostral (pe partea dreapta) si a celui
orbital de partea stanga. Diminuarea controlului executiv exercitat de cortexul
prefrontal constituie baza simptomatologiei cognitive si emotionale din cadrul
fazei maniacale a tulburarii bipolare. Disfunctia cortexului prefrontal rostral
determina o afectare a capacitatii de planificare, judecata si introspectie.
Afectarea activitatii normale a cortexului orbito-frontal determina aparitia unor
raspunsuri comportamentale nepotrivite cu contextul situational. Modificarea
activitatii modulatoare a cortexului orbito-frontal asupra hipotalamusului si
complexului amigdalian contribuie la dereglarea proceselor motivationale si
endocrinologice fiziologice si la instalarea unor pattern-uri activatoare
disfunctionale la nivelul acestora (fig. 13-2).
Fig. 13-2 - Reprezentare schematica a doua cai de conducere ce
pornesc de la cortexul frontal spre mecanismele hipocampale. Calea dorsala
isi are originea in regiunea dorsala si parcurge fasciculul cingular pana la
nivelul presubicumului (ps). Calea ventrala are originea in cortexul
orbitofrontal postenor (o) si se termina in jumatatea rostrala a ariei
entorinale (eb).
3
Cursul 13
Simptomatologia de tip maniacal se asociaza si cu o perfuzie cerebrala
regionala mai importanta la nivelul cortexului frontal medial al emisferului
cerebral drept. Testele de IRM functional efectuate la voluntari sanatosi care
procesau informatii vizuale au relevat prezenta unor retele de activare cu
localizare fronto-parietala si prefrontala rostrala de partea dreapta, ceea ce
explica tulburarile prosexice existente la pacientii maniacali, ce prezinta o
activare mai scazuta tocmai la acest nivel.
Tulburari amnezice si prosexice in cadrul episoadelor maniacale au fost
evidentiate de multiple studii. Sax W.K., Strakovsky S.M., Zimmerman M.E.
(1999) au demonstrat o corelatie inversa intre capacitatea prosexica si volumul
substantei cenusii de la nivel hipocampal si prefrontal (la pacientii cu tulburare
bipolara de tip I).
Tot la pacientii aflati in episod maniacal, s-au observat diferente de
activare functionala regionala corticala cerebrala in timpul testarii atentiei vizuospatiale
si al achizitiei de noi engrame motorii. Astfel, in timpul achizitiei de noi
scheme motorii, la persoanele din loturile de control, activarea a debutat la
nivelul girului parietal superior (implicat in procesele care suscita mentinerea
atentiei vizuospatiale), iar apoi s-a extins si la nivelul ariei premotorii (ca semn
de achizitie a noii engrame). Lipsa de activare a ganglionilor bazali se explica
prin gradul redus de complexitate a secventelor motorii ce trebuiau efectuate.
La pacientii maniacali, activarea girului parietal superior nu a avut loc, iar
acest fenomen s-a insotit si de o intensa activare limbica si a cortexului
prefrontal medial, ceea ce arata un alt mecanism de adaptare a acestora in fata
unor secvente motorii inedite care se afla in deplina concordanta cu datele
experimentale care evidentiaza labilitatea afectiva a acestor pacienti.
De asemenea, in cadrul fazei maniacale, se pot obiectiva prin studii
diminuari de flux sangvin cerebral regional (FSCR) la nivelul cortexului
prefrontal orbital si rostral de partea dreapta, precum si o scadere a ratei
metabolice la acest nivel - cu ajutorul studiilor cu fluorodezoxiglucoza.
B. In cadrul episodului depresiv, au fost identificate anormalitati
functionale la nivelul cortexului cingulat subgenual (situat sub nivelul
genunchiului corpului calos) - aria 25 Brodmann, la nivelul cortexului cingulat
anterior - aria 24 Brodmann, la nivelul portiunii anterioare a lobului insular,
precum si la nivel neocortical - girul parietal superior - P1 si cortexul prefrontal.
Studii efectuate pe voluntari sanatosi, carora li s-a indus o stare de tristete
tranzitorie, precum si pe pacienti depresivi aflati in faza de rezolutie a
simptomatologiei disforice cronice au relevat date importante. Astfel, in timpul
inducerii unei dispozitii negative, s-au observat cresteri semnificative ale FSCR
4
Cursul 13
la nivelul cortexului cingulat subgenual (aria 25 Brodmann), precum si o
diminuare importanta a acestuia la nivelul cortexului prefrontal de partea dreapta
(aria 9 Brodmann). Rezulta, deci, ca inducerea unei simptomatologii disforice
nu determina doar o activare la nivel limbic, ci si o dezactivare simultana a
regiunilor corticale cunoscute pentru coordonarea procesului prosexic, indiferent
de coloratura afectiva.
Aceste legaturi reciproce cortico-limbice si prosexic-timice au fost
confirmate, desi indirect, intr-un alt experiment, in care a fost examinata
simptomatologia pacientilor aflati in perioada de rezolutie a unui episod
depresiv cronic. In cadrul acestuia s-a observat o crestere metabolica la nivelul
cortexului prefrontal dorsolateral de partea dreapta (precum si la nivel cortexului
prefrontal stang si la nivelul cortexului cingulat anterior), ceea ce reprezinta o
normalizare a pattern-ului hipometabolic frontal preterapeutic, caracteristic
depresiei unipolare.
In contrast cu normalizarea deficientelor din stadiul preterapeutic
(existente la nivelul regiunilor neocorticale), regresul metabolic inregistrat la
nivelul regiunii limbice ventrale (cortexul cingulat subgenual) nu poate fi
considerat drept o aducere la normal a activitatii regionale, ci o scadere a
acesteia sub nivelul normal acceptat.
Modificarile sus-amintite sugereaza ideea conform careia atat tintirea
terapeutica a ariilor corticale „mai vechi” (in cadrul leucotomiei limbice sau al
tractotomiei subcaudate - ca si interventii de neurochirurgie functionala), cat si
terapia farmacologica antidepresiva, care actioneaza in principal asupra unor
nuclei din trunchiul cerebral - locus coeruleus si rafeul dorsal - (cu efecte
mediate la nivelul ariilor corticale) sau „mai noi” filogenetic (psihoterapia
cognitiva) ar trebui sa obtina rezultate sensibil egale.
Pe langa modificarile mentionate anterior (rate metabolice diminuate la
nivelul cortexului prefrontal dorsolateral, dorsomedial, precum si la nivelul
girului parietal superior), la pacientii suferind de depresie unipolara sau cu
episod depresiv in cadrul tulburarii bipolare, s-a observat si o diminuare a
metabolismului glucozei si a FSCR la nivelul cortexului cingulat dorsal anterior
(regiunile dorsale ale ariilor 24b si 32 Brodmann). De asemenea, in timpul
perioadelor de remisiune a simptomatologiei depresive, s-a observat o crestere a
activitatii metabolice in aceste regiuni, precum si la nivelul ariilor 24a
Brodmann (cortex cingulat pregenual) si a regiunii meziale a ariei 32. Demn de
remarcat este si faptul ca pacientii ce raspund bine la terapia antidepresiva
prezinta o intensa activitate EEG, cu unde theta la nivelul cortexului cingulat
pregenual, precum si o diminuare a acesteia la nivelul girului precuneal - aria 7
Brodmann.
5
Cursul 13
Intr-un model teoretic al depresiei, propus de Mayberg si colab., si care
integreaza datele pe care le-am expus anterior, au fost postulate distinctii
functionale intre diversele arii ale cortexului cingulat anterior, care explica
geneza si persistenta simptomatologiei depresive. Astfel, au fost descrise:
1. un compartiment dorsal, ce moduleaza simptomatologia cognitiva si
prosexica (apatia, deficientele prosexice si de executie) si care cuprinde:
cortexul prefrontal dorsolateral, cortexul cingulat anterior dorsolateral (aria 24b
Brodmann), lobulul parietal inferior si corpul striat.
2. un compartiment ventral, implicat in geneza simptomelor vegetative si
somatice (disomniile, hiporexia si tulburarile de libido) si care include: axul
hipotalamo-hipofizo-suprarenalian, lobul insular, cortexul cingulat subgenual
(aria 25 Brodmann), precum si trunchiul cerebral.
Acest model teoretic subliniaza rolul cortexului cingulat rostral anterior
(aria 24a), ca veriga-cheie in procesul integrarii informatiilor provenite de la
cele doua compartimente enuntate anterior.
Alte cercetari releva si rolul jucat de girusul cingulat rostral anterior in
procesele de monitorizare si evaluare a semnificatiei stimulilor din mediul
inconjurator.
Astfel, in primul rand, aria 24 Brodmann receptioneaza dense aferente
dopaminergice cu originea la nivelul ariei tegumentale ventrale (cu localizare
mezencefalica), iar dopamina detine un rol foarte important in codarea
informatiilor importante pentru predictia si evaluarea recompensei (in cadrul
sistemului clasic al „recompensei si pedepsei”). In sprijinul acestei afirmatii se
ridica si descoperirea unei puternice relatii intre receptorii dopaminergici de
clasa D2 si activitatea metabolica de la nivelul girului cingulat anterior.
In al doilea rand, leziunile produse la nivelul cortexului cingulat anterior
(nu neaparat doar la nivelul ariei rostrale) au fost asociate cu estimarea
inadecvata a recompensei/pedepsei, cu reactii vegetative anormale la informatii
cu incarcatura emotionala, cu reactivitate comportamentala redusa, cu apatie,
scaderea motivatiei si deficite severe de comportament social - toate acestea
reproducand fidel simptomatologia depresiva. De asemenea, Drevet si colab. au
sugerat ca simptome cardinale pentru tulburarea depresiva, cum ar fi apatia si
anhedonismul, iau nastere datorita incapacitatii girului cingulat subgenual
anterior de a mentine efortul (dopaminergic-dependent) de centrare a
comportamentului catre obtinerea recompensei.
In sprijinul acestor teorii neurofiziologice care subliniaza rolul pregnant al
disfunctiilor limbice se ridica si date neuropatologice mai noi, referitoare la
implicarea hipocampala si talamica in simptomatologia depresiva din cadrul
tulburarii bipolare. Sunt bine documentate in literatura conexiunile reciproce
dintre nucleul dorso-medial talamic si ariile corticale: prefrontale dorso-laterale,
cortexul orbitofrontal, cel insular si cingulat, cu rol in integrarea si redistribuirea
6
Cursul 13
catre lobii frontali a stimulilor cu relevanta emotionala. Grupurile nucleare
antero-ventrale si antero-mediale talamice fac si ele parte din acest circuit,
conectand structurile fronto-hipocampale cu cortexul cingulat anterior si cu cel
entorinal (aria 28 Brodmann). Mai mult decat atat, nucleul dorso-medial talamic
reprezinta o tinta majora pentru eferentele amigdaliene, jucand astfel, impreuna
cu grupurile nucleare antero-ventral si antero-medial, un rol important in
conectarea structurilor limbice corticale cu cele subcorticale.
Cercetarile recente anatomo-patologice au demonstrat o crestere a
numarului de neuroni de la nivelul acestor trei grupuri nucleare talamice,
precum si o crestere volumetrica a acestora. Nu se cunoaste insa daca populatia
neuronala crescuta de la nivel talamic este compusa din neuroni de proiectie
(glutamat-ergici) sau din interneuroni inhibitori (GABA-ergici) (fig. 13-3), insa
efectele sunt similare in ambele variante. Pe de o parte, daca este vorba despre
neuroni de proiectie (excitatori), acestia vor determina o crestere a eferentelor
glutamat-ergice la nivelul cortexului prefrontal dorsolateral si orbital,
promovand procesele de excitotoxicitate la acest nivel, inclusiv asupra celulelor
gliale. Pe de alta parte, daca avem de-a face cu interneuroni inhibitori (GABAergici),
acestia vor determina o scadere a ratelor metabolice la nivelul cortexului
prefrontal. In ambele situatii, diminuarea activitatii metabolice prefrontale se
asociaza cu deficiente comportamentale (hipoprosexie, tulburari de invatare)
identice cu cele observate in cadrul simptomatologiei depresive.
Fig. 13-3 – Reprezentare schematica a unui receptor GABA.
7
Cursul 13
Tot in aceasta ordine de idei se inscriu si alte observatii asupra
complexului hipocampo-amigdalian, in cadrul pacientilor cu tulburare bipolara.
La acestia, studiile de spectroscopie protonica in regim de rezonanta magnetica
(1H-MRS) au relevat o concentratie scazuta de N-Acetilaspartat la nivel
hipocampic, bilateral (acesta reprezinta un marker de integritate functionala
neuronala, fiind sintetizat la nivelul membranei mitocondriale neuronale de Laspartat
N-acetiltransferaza - enzima cu selectivitate absoluta pentru S.N.C),
completand astfel studiile anterioare, care demonstrasera o diminuare a
volumelor hipocampice la acelasi tip de pacienti, cu scaderea numarului total, a
densitatii si a taliei neuronilor nonpiramidali de la acest nivel. Alte modificari sau
mai observat si la nivelul portiunii subiculare (apoptoza exagerata), care
primeste aferente din subcampul CA1 si mai apoi se proiecteaza la nivelul
cortexului prefrontal ventromedial, la nivelul talamusului, hipotalamusului si al
nucleilor bazali. De asemenea, s-au mai observat procese atrofice la nivelul
neuronilor piramidali din campul CA 3 hipocampic, precum si o diminuare a
neurogenezei neuronilor granulari de la nivelul girului dentat, ambele procese
fiind un efect al hipercortizolemiei observate in cazul acestor pacienti. Acest
nivel crescut al hormonilor glucocorticoizi determina o vulnerabilitate crescuta a
neuronilor piramidali la ischemie, hipoglicemie, precum si la fenomenul de
excitotoxicitate.
De asemenea, se remarca si o crestere in volum a parenchimului glandular
hipofizar si o crestere in valoare absoluta a numarului celulelor imunoreactive
de la nivel hipotalamic (in special a celor CRH-secretante, de la nivelul nucleilor
supraoptic si paraventricular, conectati aferent cu complexul amigdalian), ceea
ce explica si titrul crescut al glucocorticoizilor la acesti pacienti. Ca si efect al
modificarilor survenite la nivel hipocampic, s-a constatat si o crestere a
volumului amigdalian cu peste 24% la pacientii aflati in episod depresiv, precum
si o crestere semnificativa a metabolismului la acest nivel (in timpul episoadelor
depresive documentandu-se si o activare amplificata a eferentelor amigdaliene
catre nucleii talamici).
Argumente neurobiologice ale comportamenului suicidar
Comportamentul suicidar interfereaza existenta umana in circumstante
psihologice si psihopatologice numeroase. Riscul suicidar ridica dificile
probleme de predictie a evolutiei tulburarilor psihice si traiectoriei existentiale
individuale. Comportamentul autolitic are un determinism multifactorial ce
implica nivele de vulnerabilitate variate, iar riscul suicidului este rezultanta
interferentei mai multor factori de vulnerabilitate ce actioneaza in momente
diferite ale dezvoltarii ontogenetice. In cadrul acestora nivelul neurobiologic
ocupa pozitia centrala implicand: vulnerabilitatea genetica, biologica si
biochimica cu rol determinant - nivelul primar de vulnerabilitate, in timp ce
8
Cursul 13
vulnerabilitatea cognitiva, psihologica si sociala au un rol favorizant aleator -
vulnerabilitatea secundara. Studiile fundamentale de neurobiologie cerebrala
permit evidentierea unor indicatori de risc si / sau predictie pentru
comportamentul suicidar.
Vulnerabilitatea genetica-biochimica se coreleaza semnificativ cu
deficitul transmisiei serotoninergice obiectivat prin:
a) studiile post-mortem ce au evidentiat:
- diminuarea nivelului serotoninei (5-HT) si al acidului 5, hidroxiindolacetic
(5-HIAA) predominant in cortexul frontal;
- scaderea semnificativa a situsurilor de legare pentru antidepresivele
triciclice si paroxetina marcate cu izotopi radioactivi (studiile de binding);
- cresterea numarului de receptori 5-HT2 in cortexul frontal, ce reprezinta
un factor adaptativ al etajului postsinaptic fata de scaderea activitatii 5-HT
presinaptice. De remarcat faptul ca aceste modificari pot fi asociate sau nu cu
tulburari psihopatologice incadrabile nosologic in momentul suicidului.
b) studiile "in vivo" efectuate la subiecti cu tentative suicidare au relevat
scaderea marcata a concentratiei 5-HIAA in LCR, scadere semnificativ asociata
cu comportamentul suicidar impulsiv-violent si recurenta acestuia. Urmarirea
dinamica a nivelelor 5-HIAA in LCR releva doua tipuri de activitate:
- nivele constant scazute ale 5-HIAA ce au semnificatia unui deficit
serotoninergic primar presinaptic corelat cu: nivelul scazut al L-triptofanului;
activitatea MAO plachetara scazuta (deficitul enzimatic reprezentand o
puternica marca genetica);
- nivele variabile ale 5-HIAA, a caror scadere anticipeaza comportamentul
suicidar, si este determinata de scaderea eficacitatii sistemului mesagerilor
secunzi din lantul neurotransmisiei serotoninergice, in care rolul principal ii
revine inozitol-fosfatului.
c) alterarea functionarii sistemului mesagerilor secunzi ridica problema
"prabusirii" transmisiei serotoninergice la nivel postsinaptic, prin incapacitatea
sistemului receptorilor de a decoda semnalul presinaptic.
Aceasta disfunctionalitate in neurotransmisia serotoninergica este
in mare masura dependenta de scaderea activitatii inozitol-monofosfatazei,
"epuizare enzimatica" favorizata la randul ei de dozele crescute de saruri de litiu
si hiponatriemie. Scaderea nivelului de inozitol conduce la alterarea functionarii
receptorilor 5-HT legati de fosfatidilinozitol, chiar daca activitatea fosfolipazei
C este nealterata. De altfel, studiile MRI post-mortem au obiectivat la pacientii
cu boala afectiva bipolara si suicid o diminuare a activitatii fosfomonoesterilor
din lobul frontal si diminuarea legarii fosfatidilinozitolului de structurile
9
Cursul 13
receptoare.
Diminuarea transmisiei serotoninergice presinaptice pare a fi semnificativ
corelata cu suicidul violent si comportamentul antisocial, avand un puternic
determinism genetic argumentat prin:
- antecedentele familiale sunt pozitive pentru comportament antisocial si
sunt legate de nivelul scazut de 5-HIAA in LCR, acest indicator biochimic fiind
un marker fidel al agresivitatii si ostilitatii;
- Cloninger a remarcat ca in alcoolismul I, cu debut precoce,
comportamentul impulsiv antisocial si tendinta la suicid violent, deficitul de 5-
HT este asociat cu scaderea nivelului activitatii MAO plachetare si a 5-HIAA in
LCR;
- activitatea centrala serotoninergica este obiectivata direct de nivelul 5-
HIAA din LCR si raspunsul hormonal (stimularea secretiei de prolactina) la
administrarea unui agent serotoninergic - d-fenfluramina. La persoanele cu
comportament impulsiv-agresiv-violent se remarca atat scaderea 5-HIAA in
LCR, cat si a raspunsului hormonal. D-fenfluramina administrata precoce
determina cresterea secretiei presinaptice a 5-HT, fara a actiona direct pe caile
DA si NA, provocand o crestere a nivelului plasmatic a prolactinei - raspuns
considerat ca un indicator al activitatii centrale a mecanismelor serotoninergice.
La administrarea substantelor serotoninergice (d-fenfluramina) se constata
ca secretia de prolactina nu creste semnificativ la persoanele cu comportament
violent impulsiv auto- sau heteroagresiv. Implicarea transmisiei dopaminergice,
obiectivarea inversarii raportului dintre stimularea prolactinica cu dfenfluramina
si nivelul 5-HIAA din LCR aduce in discutie intricarea activitatii
5-HT si DA intr-o veritabila balanta jonctionala intre cele doua sisteme de
neurotransmisie.
Acest punct de vedere este sustinut de cercetarile lui Tamminga si Lahti -
1997, care au evidentiat la persoanele cu comportament excitabil / impulsiv
existenta unor receptori D4 "varianti" D4,7 fata de receptorul D4 normal D4,4
(prezent la 66 % din subiecti). Receptorul D4,7 este mult mai frecvent la
persoanele cu sindromul AD-HD (Attention Deficit - Hiperactivity Disorders) si
comportament excitabil - impulsiv. Sindromul AD-HD are o prevalenta de 2 -
9,5 % la copilul de 4-16 ani si de 0,5 - 1 % la adultul tanar. Interferenta /
interfata intre sistemul de neurotransmisie serotoninergica si dopaminergica
implicata in comportamentul suicidar, pare cu atat mai evidenta cu cat inca din
1988 Lopez Ibor jr. corela deficitul de serotonina cu deficitul de atentie,
sindromul hiperkinetic si comportamentul agresiv si/sau suicidar. In concordanta
cu cele sustinute de noi depresia prin deficit DA (depresia
dopaminodependenta - Mouret, 1988) este apreciata ca si depresia
endogena/majora cu riscul suicidar cel mai important. Kelly - 1997, remarca
faptul ca in formele grave de depresie insotite de comportament / risc suicidar
exista un nivel plasmatic crescut al NA, ce scade semnificativ dupa terapia
10
Cursul 13
electroconvulsivanta. Se poate anticipa, ca si in cazul transmisiei NA, existenta
unei interfete NA / 5-HT, intrucat in depresia majora sistemul NA se comporta
bimodal:
- depresia cu deficit de NA - depresia inhibata;
- depresia cu hiperactivitate NA - depresia cu agresivitate, ostilitate,
anxietate si risc suicidar.
Depresia cu hiperactivitate NA este una din formele farmaco-rezistente
primare cu raspuns terapeutic la TEC. Jonctiunea 5-HT / NA isi gaseste expresia
psihofarmacologica si prin aparitia recenta a inhibitorilor selectivi ai recaptarii
NA sau NA / 5-HT, respectiv mitrazepina (Remeron) si Venlafaxina (Effexor) .
Implicarea sistemului noradrenergic prin jonctiunea NA / 5-HT in sindromul
hiperkinetic si AD-HD explica rezultatele terapeutice evidente cu derivati de tip
amfetaminic in tratamentul specific al acestor sindroame, cele mai spectaculoase
rezultate fiind raportate cu Adderall - o combinatie de saruri dextro- si levoamfetaminice.
Deficitul de 5-HT poate fi corelat cu sezonalitatea tulburarilor
depresive, iar comportamentul suicidar imbraca caracterul recurential/repetitiv.
Comportamentul agresiv si impulsiv recurent este corelat cu valori scazute ale 5-
HIAA in LCR si nivele plachetare scazute de legare ale paroxetinei;
sezonalitatea depresiei este legata de scaderea triptofanului, fiind un deficit
serotoninergic presinaptic. Tiihonen - 1997, sustine ca sezonalitatea crimei
patologice este superpozabila peste cea a suicidului violent, fiind si acest
comportament antisocial legat de un defect primar "presinaptic". Bandecchi -
1994, considera ca varful din variatiile sezonale ale crimei patologice pot fi
influentate si de nivelul transmisiei DA si secretiei testosteronice, a caror
crestere mareste semnificativ rata comportamentului agresiv excesiv. Existenta
unei populatii cu risc crescut pentru comportamentul suicidar este sustinuta de
vulnerabilitatea biologico-biochimica diferita de la individ la individ (nivelul
primar de vulnerabilitate), ce determina in conditii identice de vulnerabilitate
secundara (psihologica, cognitiva si sociala) comportamentul suicidar
diferentiat. Marzuk - 1997, releva faptul ca suicidul la persoanele HIV pozitive
("suicidul rational"), rezidente in New York in perioada 1991-1993 este de trei
ori mai frecvent decat la restul populatiei. In opinia noastra comportamentul
sexual de risc este un "echivalent suicidar". Cresterea cortizolemiei si
pozitivitatea testului DST reprezinta un indicator de predictie al
comportamentului suicidar (Nelson - 1997), non-supresia fiind corelata, de
altfel, cu depresia psihotica in proportie de 64 %.
MODIFICARI NEUROSTRUCTURALE CEREBRALE
Studiile de neuroimagistica CT si MRI au evidentiat ventriculomegalie ce
se coreleaza la sinucigasi cu un nivel scazut de L-triptofan si cu cresterea
cortizolemiei (depresie serotoninergica presinaptica). Studiile PET la pacientii
11
Cursul 13
cu tentative suicidare repetate / recurente au aratat scaderea fluxului sanguin
cerebral si a metabolismului in cortexul frontal stang, in contrast cu cresterea
semnificativa a activitatii lobului temporal drept.
Studiile SPECT au pus in evidenta la pacientii cu suicid cresterea
semnificativa a activitatii receptorilor 5-HT2 din emisferul drept la nivel frontal,
parietal si temporal si o diminuare a numarului receptorilor GABA.
Printre factorii de risc ai comportamentului suicidar, alaturi de afectiuni
somatice, tulburarea de dispozitie, schizofrenie, alcoolism, tulburarea de
personalitate, citam epilepsia care realizeaza modele simptomatologice
psihiatrice in care agresivitatea este o componenta importanta: schizophrenialike,
tulburarile de dispozitie aparute in epilepsie, tulburarile caracteriale insotite
de depresie. Un studiu efectuat la Clinica de Psihiatrie Craiova pe o perioada de
5 ani la un numar de 244 pacienti care aveau si leziuni epileptice a aratat ca
17,22 % au prezentat tulburare psihotica epileptica; dintre acestia 76,19 % au
manifestat aspect paranoid, iar 23,81 % - tulburare de dispozitie.
Dintre pacientii cu tulburare psihotica epileptica 12 % au prezentat
tentative sau incercari suicidare. Desi pacientii nu au mai avut activari
epileptiforme, pentru a explica reaparitia si recaderile simptomelor psihiatrice
sustinem interventia mecanismelor de kindling ca fenomen de autointretinere
dupa primele stimulari electrice. Un lot comparativ in aceeasi perioada, cu un
numar de 64 de cazuri care au beneficiat in antecedente de TEC, a relevat la 38
% din cazuri cresterea ratei suicidului si rezistenta terapeutica la medicatia
antidepresiva. Perspectiva activarilor de kindling si firing duce la reconsiderarea
tratamentului in depresia schizofreniforma, precum si a depresiei organice cu
potential suicidar. Mecanismele de actiune ale timostabilizatorilor interfereaza
prin blocarile de kindling, activarea agonist serotoninergica si mecanismele
dopaminice.
Principalele clase de stabilizatori sunt litiul si sarurile de litiu
anticonvulsivante (valproat, carbamazepina, lamotrigina, gabapentin, topiramat,
vegabatrin). Desi baza farmacologica a eficacitatii clinice nu a fost stabilita
definitiv, in general s-a acceptat ca efectele anticonvulsivantelor ale mai multor
antiepileptice rezulta din unul sau mai multe lanturi de mecanisme (Chengappa,
2002), incluzand:
• blocarea pompei reprezentata de canalele de sodiu dependente de voltajsenzitive
(ex. blocarea influxului de sodiu sau inactivarea prelungita a canalelor
de sodiu);
• intensificarea efectelor inhibitorii ale neurotransmitatorilor acid gama-aminobutiric;
- GABA (ex. cresterea sintezei GABA sau eliberarea ei din neuroni,
inhibarea la nivelul sinapsei sau intensificarea transmiterii semnalului la
12
Cursul 13
receptorii mediatori GABA);
• scaderea neurotransmisiei glutamatergice (excitatorii);
• inhibarea enzimei anhidrazei carbonice;
• scaderea activarii canalului neuronal de Ca2+;
• intensificarea canalelor de K+. Se impune o mai buna corelare a factorilor
diagnostici, reconsiderarea terapiei serotoninergice cu adjuvanti
psihostabilizatori, antipsihotice atipice si benzodiazepine.
Se poate sustine pe baza datelor prezentate ca modelul neurobiologic si
biochimic al comportamentului suicidar constituie nu o ipoteza etiopatogenica
ci o certitudine.
13
Cursul 14
Epilepsia
EPILEPSIA este o tulburare neurologica, caracterizata prin aparitia unor
crize bruste, recurente (repetitive) cu dereglarea activitatii musculare, senzoriale,
cu sau fara pierderea cunostintei.
Pentru a intelege mai bine aceasta problema si ceea ce se intampla in
timpul episoadelor epileptice, vom explica anumiti termeni folositi in aceste
cazuri:
- CRIZA (ATACUL) se refera la contractiile musculare involuntare ca rezultat
al unei activitati bioelectrice anormale la nivelul creierului, determinata de
existenta unor tumori, cheaguri de sange sau cicatrici precum si de dezechilibre
biochimice (nivel scazut de glucoza in sange, medicamente ce stimuleaza
sistemul nervos, etc). Exista,de asemenea, si boli infectioase, cum ar fi tetanosul,
in care criza apare ca urmare a stimularii contractiei musculare de catre o toxina.
O criza poate implica toata musculatura scheletica sau poate fi localizata la o
anumita grupa musculara.
- CRIZA DE "GRAND MAL" (marea criza) se refera la contractii musculare
(crampe) severe, ce cuprind intreaga musculatura scheletica. Muschii scheletici
(denumiti muschi striati) sunt in general "atasati" oaselor, permitand astfel
miscarea voluntara a corpului. Exista si un alt tip de muschi, muschii netezi, care
nu sunt "atasati" de oase si care de obicei nu sunt afectati de criza. Muschiul
cardiac (al inimii) este un muschi striat care difera atat de muschii scheletici, cat
si de cei netezi. Marea criza de epilepsie ofera o imagine socanta.
- CRIZA DE "PETIT MAL" (mica criza) este o forma mai usoara de criza, in
care pacientul are inca un control voluntar al miscarii, o oarecare coordonare,
dar anumite grupe de muschi se contracta anarhic, activitatea electrica a
creierului fiind afectata moderat.
- STATUSUl EPILEPTIC se refera la o situatie foarte periculoasa in care crizele
epileptice de grand mal, se succed rapid, nelasand omului perioade de odihna
sau de relaxare musculara intre episoadele epileptice. Statusul epileptic necesita
interventia medicala de urgenta.
Descarcarea ritmica si repetata de neuroni situati intr-o zona localizata a
creierului este caracteristica epilepsiei. Aceasta descarcare hipersincrona poate fi
observata pe EEG care inregistreaza activitatea electrica integrata produsa de
potentialele sinaptice ale neuronilor din straturile superficiale ale unui teritoriu
bine definit in cortex.
In focarul epileptic, neuronii unei mici parti din cortex sunt activati
anormal, sincron pe timpul unei perioade scurte (50-100ms), ceea ce da pe
traseul EEG o unda mai larga si mai ascutita: varful. Daca descarcarea neuronala
sincrona dureaza mai multe secunde, antreneaza o criza focala; daca se propaga
in creier si are o durata de mai multe secunde sau minute, se produce o criza
partiala sau generalizata complexa.
1
Cursul 14
In jurul focarului epileptogen, neuronii sunt inhibati. Se pare deci ca
descarcarea epileptica este limitata la o zona localizata a cortexului printr-un
sistem inhibitor ce inconjoara focarul si printr-o inhibitie usor intarziata in sanul
focarului insusi. In timul trecerii la descarcarea critica, inhibitia post
depolarizarii membranare dispare pentru a fi inlocuita de un potential de
depolarizare.
Neuronii zonelor din imediata apropiere si cei din zonele aflate la distanta,
uniti prin structuri sinaptice, sunt cuprinsi de criza si se activeaza. Circuitele
corticale locale, caile lungi de asociatie (inclusiv corpul calos) si caile
subcorticale sunt toate utilizate pentru diseminarea descarcarilor. O criza focala
poate sa se extinda local sau se generalizeaza la intregul creier. Caile talamocorticale,
foarte ramificate, sunt responsabile de generalizarea rapida a anumitor
forme de epilepsie, inclusiv absentele.
O serie de reactii metabolice se produc in creier in cursul descarcarilor
epileptice si pot contribui la constituirea focarului, la tranzitia catre crize sau
tulburarile postcritice.
In timpul descarcarilor K+ extracelular creste, in timp ce Ca2+
extracelular diminua. Aceste fenomene au profunde repercursiuni asupra
excitabilitatii neuronale si eliberarii de neurotransmitatori si asupra
metabolismului neuronal. Neurotransmitatorii si neuropeptidele sunt de
asemenea eliberate in cantitati anormale in timpul descarcarilor ce acompaniaza
criza. O parte din aceste substante pot avea o actiune prelungita asupra
neuronilor centrali si pot fi responsabile de un fenomen care se prelungeste de la
criza, cum ar fi paralizia Todd. In afara de acest efect ionic, crizele cresc debitul
sanguin la nivelul zonelor creierului ce sunt atinse la inceput, apare o crestere a
consumului de glucoza, se modifica metabolismul oxidativ si pH-ul local.
Numeroase mecanisme pot antrena aparitia crizelor comitiale atat in
creierul normal, cat si in cel afectat. Se pot discuta 3 mecanisme obisnuite:
1. diminuarea mecanismelor inhibitorii, in special inhibitia sinaptica data de
acidul gama aminobutiric (GABA);
2. cresterea mecanismelor de excitatie sinaptica, in special cea mediata de
componenta N-metil-D-aspartat (NMDA) a raspunsului glutamat;
3. cresterea „firing”-ului neuronal endogen (in general legat de cresterea
curentilor calcici dependenti de voltaj).
Diferitele tipuri de epilepsie umana pot fi determinate de unul dintre
aceste mecanisme sau de o combinatie a lor. De exemplu, in anumite forme de
epilepsie focala cronica, interneuii inhibitori par sa fie atinsi preferential; in alte
modele si poate in cazul sclerozei hipocampice la om, circuitele excitatoare
recurente aberante se pot forma printre neuronii care supravietuiesc. In absentele
epileptice generalizate primare, neuronii talamici avand curenti calcici
2
Cursul 14
tranzitorii, dependenti de voltaj, vor fi responsabili de aparitia unei activitati
corticale cu varf-unde difuze si sincrone.
Mecanisme GABA-ergice in epilepsie
Crizele epileptice pot fi privite ca o descarcare electrica hipersincrona
paroxistica in creier ce apare datorita unei excitatii prea mari sau a unei inhibitii
prea reduse la nivelul zonei in care descarcarea anormala incepe. Excitarea si
inhibitia neuronilor poate fi mediata de o serie de mediatori sinaptici. Acidul
gama amino butiric (GABA) este principalul neurotransmitator inhibitor din
cortexul cerebral. GABA este localizata in principal la nivelul interneuronilor cu
axon scurt ce fac sinapsa cu corpii celulari si cu axonii proximali, si mentin
tonusul inhibitor ce se contrabalanseaza cu excitatia neuronala. Cand aceasta
balanta este perturbata pot sa apara crizele epileptice.
Acidul gama amino butiric se formeaza in axonii terminali prin
transaminarea α-cetoglutaratului in acid glutamic, ce este decarboxilat apoi de
catre decarboxilaza acidului glutamic in GABA. Acesta este eliberat in fanta
sinaptica si actioneaza asupra unuia dintre cei 2 receptori GABA: GABAA si
GABAB. B
Receptorii GABAA sunt canale ionice dependente de ligand ce
hiperpolarizeaza neuronul prin cresterea influxului de clor si au un efect
inhibitor rapid. Receptorii GABAB sunt proteine G cuplate la receptori ce
hiperpolarizeaza neuronul prin cresterea conductantei potasiului. GABA
B
BB scad
influxul de calciu si au un efect inhibitor redus.
Care este rolul GABA in epilesie si in epileptogeneza? Ca sa raspundem
la intrebare trebuie sa tinem cont de urmatoarele aspecte:
1. existenta unor anomalii ale functiei GABA observate pe modelele
genetice de animale cu epilepsie;
2. reducerea inhibitiei mediata prin GABA, a activitatii glutamat
decarboxilazei, legarea la receptorii GABAA;
3. agonistii GABA suprima crizele epileptice, iar antagonistii GABA
le produc;
4. medicamentele ce produc inhibitia sintezei GABA duc la aparitia
crizelor;
5. medicamentele care sporesc GABA sinaptic prin inhibarea
catabolismului sau sunt anticonvulsivante;
Fenomenul de baza este depolarizarea proximala a unor neuroni
individuali. Acest lucru se datoreaza activarii canalelor de Ca2+ (fig. 14-1 – A1).
Intrarea ionilor de Ca2+ deschid mai intai canalele cationice nespecifice si astfel
duc la o depolarizare masiva ce se termina prin deschiderea canalelor de K+ si de
Cl-. O criza epileptica apare atunci cand un numar suficient de neuroni sunt intr-
3
Cursul 14
o stare de excitabilitate. Cauzele sau factorii care duc la aparitia crizelor sunt de
exemplu defecte genetice (a canalelor de K+), malformatii, traumatisem
cerebrale, tumori, abcese. Crizele epileptice pot fi provocate de asemenea de
catre consumul de alcool, inflamatie, febra, hipoglicemie, hipocalcemie, lipsa
somnului, ischemie sau hipoxie. Hiperventilatia poate duce la hipoxie cerebrala,
prin intermediul hipocapniei (o scadere anormala a tensiunii CO2 in circulatia
sanguina) si vasoconstrictiei cerebrale, si poate promova astfel declansarea unei
crize.
Fig. 14-1 Epilepsia
– mecanisme in
epilepsie.
Dendritele celulelor piramidale contin canale de Ca2+ dependente de voltaj
ce se deschid la depolarizare si astfel cresc depolarizarea. In leziuni ale
neuronilor, sunt expuse din ce in ce mai multe canale. Ele sunt inhibate de catre
ionii de Mg2+, in timp ce hipomagnezemia promoveaza activitatea acestor canale
(fig. 14-1, A2). O concentratie extracelulara cescuta a K+ reduce efluxul K+ prin
4
Cursul 14
canelele de K+, are un efect depolarizant si promoveaza in acelasi timp si
activarea canalelor de Ca2+.
Dendritele celulelor piramidale sunt de asemenea depolarizate de catre
glutamatul din sinapsele excitatorii (A3). Glutamatul actioneaza ca un canal
cationic ce este impermeabil pentru Ca2+ (canal AMPA), si ca un canal ce este
permeabil pentru Ca2+ (canal NMDA). Canalul NMDA este in mod normal
blocat de catre Mg2+.
Potentialul de membrana al neuronilor este in mod normal mentinut de
catre canalele de K+. O conditie pentru acest lucru este un gradient adecvat de
K+ de-a lungul membranei celulare. Acest gradient este creat de catre ATP-aza
Na+/K+ dependenta (A4). Lipsa de energie (datorita lipsei de O2 sau
hipocalcemiei) duce la scaderea activitatii ATP-azei Na+/K+ dependente, si astfel
celula se depolarizeaza.
In mod normal, depolarizarile sunt reduse de catre neuronii inhibitori ce
activeaza canalele de K+ sau Cl- via GABA, printre altele (A5).
Hiperexcitabilitatea indusa de inmuguririle axonale post-lezionale
Ramon y Cajal a fost primul care a demonstrat inmugurirea axonilor
neuronilor neocorticali lezati si a presupus ca aceasta ar putea intensifica
activitatea circuitelor corticale. Hipocampul are o implicatie majora in
epileptogeneza (fig. 14-2).
Fig. 14-2 – Prezentare schematica a structurii hipocampului; cscolaterale
Schaffer, sml-stratul molecular lacunar (fara neuroni), cp-calea
perforanta, sm-stratul molecular, scg-stratul celulelor granulare, spmstratul
polimorfic, fm-fibre muschioase, sr-stratul radial, sp-stratul
piramidal, so-stratul oriens.
5
Cursul 14
In diferitele modele ale epilepsiei umane de lob temporal, inductia
epielptogenezei printr-o perioada prelungita de activitate epileptica continua este
insotita de schimbari semnificative in structura hipocampului. Aceste schimbari
includ o crestere a neurogenezei in zona subgranulara din girusul dintat si
inductia inmuguririi fibrelor muschioase in celulele granulare dintate (cgd)
mature. Intrucat neurogeneza celulelor granulare dintate si dezvoltarea
neuronilor sunt markeri pentru dezvoltarea hipocampului, s-a sugerat ca
moleculale implicate in dezvoltarea normala pot avea rol in schimbari similare,
care au loc in epileptogeneza.
Forma de inmugurire axonala
care a fost studiata cel mai intens in
cadrul epileptogenezei este
inmugurirea fibrelor muschioase
(mossy fibres sprouting). Acest tip
de inmugurire presupune
reorganizarea sinaptica a axonilor
fibrelor muschioase care apartin
celulelor granulare din stratul
molecular intern al girusului dintat
din hipocampus (fig. 14-3).
Fig. 14-3 – Modele ale
plasticitatii structurale – a,b,c -
inmugurire indusa de leziune;
CM -celule muschioase; CG-celule
granulare; SMI-strat molecular
intern.
6
Cursul 14
Fenomenul de Kindling
Fenomenul de kindling a fost descris initial pe baza experimentala de
Goddard in anii 60. In prezent fenomenul de kindling este considerat o adevarata
paradigma in intelegerea evolutiei conectivitatii patologice din epilepsie. Acesta
se refera la modalitatea de autointretinere si de agravare a fenomenelor
epileptice. Un focar epileptic, indiferent ca este generat experimental sau pe cai
naturale, daca intercepteaza sistemul limbic are tendinta de a cobori pragul de
declansare al descarcarilor, agravand evident tabloul epileptologic.
Amigdala este zona cea mai sensibila din creier pentru acest proces care
poate conduce nu numai la reducerea graduala a pragului stimularii ci si la
generalizarea unor descarcari chiar si in absenta focarului iritativ initial.
Schomer presupune ca aceastaa reprezinta si explicatia frecventei epilepsiei
temporo-limbice. In plus s-a dovedit atat la om cat si la animal (babuin) o
susceptibilitate genetica diferentiala la acest fenomen. Mergand inca mai in
profunzime literatura de specialitate precizeaza ca mecanismul celular al
acestuia este potentarea pe termen lung (LTP). LTP este considerat a fi implicat
si ca mecanism in explicarea conditionarii prin frica (Ledoux 1995). Acesta este
indus prin producerea unei tetanizari printr-o stimulare electrica a unei cai cu
frecventa ridicata si inregistrarea unei cresteri de lunga durata a eficientei
sinaptice, ca rezultat al acestei stimulari. Eficacitatea sinaptica se masoara prin
testarea magnitudinii raspunsului postsinaptic la un stimul inainte si dupa
administrarea stimularii tetanizante. LTP a fost studiat experimental ca fenomen
mai ales la nivelul hipocampului dar nu in mod exclusiv. S-a impus ca un model
de invatare deoarece reprezinta o forma de plasticitate sinaptica dependenta de
experienta. Cercetarile au ajuns pana la nivelul de rezolutie al neuromediatorilor,
ca glutamina, N–Metil–D–Aspartat (NMDA).
Acest aspect biochimic, alaturi de altele, este analizat in relevanta lui
epileptologica de catre Halasz & Fogarasi (2005). Autorii prezentand epilepsia
temporala, descriu o entitate relativ noua si anume sindromul de epilepsie
temporala mesiala care apartine exclusiv teritoriului temporo-limbic. Spre
deosebire de echipa lui Schomer accentul este pus pe modificarile formatiunii
hipocampice si a sclerozei hipocampice. Este descrisa in mare detaliu
reorganizarea sinaptica epileptogena a hipocampului cu amanunte referitoare la
structura celulara a acestuia in evolutie ontogenetica, incepand chiar cu perioada
postnatala. Aceasta remodelare sinaptica exprima de fapt mecanismul de baza al
acestei forme de epilepsie temporala. O alta contributie semnificativa este
descrierea diferentiata pentru epilepsia de lob temporal stang si lob temporal
drept. Fenomenul de kindling poate fi pus in relatie si cu procesul generarii de
focare in oglinda si focare fiica (Schomer). In cazul focarelor fiica leziunile
structurale pot produce descarcari ipsilaterale independente. Astfel se explica
aparitia deloc rara a unor leziuni structurale focale la nivelul lobilor parietali si
occipitali.
7
Cursul 14
Administrarea unor substante ca lidocaina, procaina si cocaina poate
produce activitate epileptica („chemical kindling”) in teritoriul limbic. Aceasta
ne explica similaritatea dintre dependenta (addictie) de cocaina si epilepsia de
lob temporal, aspect relevant mai ales in context psihatric si nu atat in acest
cadru neurobiologic.
Mult mai relevanta este “epilepsia reflexa”, foarte adecvata in legatura cu
conexiunile dintre stimulii auditivi, olfactivi vizuali-cititul de exemplu si
teritoriul temporolimbic epileptogen. Aici vorbim de kindling psihologic.
Epilepsia si neurogeneza
Studiile epileptogenezei pe modele animale adulte au aratat ca de fapt
crizele epileptice stimuleaza neurogneza atat in zona subgranulara (SGZ) cat si
in zona subventriculara (SVZ). In girusul dentat, epilepsia sporeste proliferarea
de progenitori de 5-10 ori dupa o perioada de latenta (fig. 14-4). Marea
majoritatea a acestor celule noi se diferentiaza in neuroni granulari, o parte
dintre ei localizandu-se la nivelul hilului. Aceste celule ectopice mentin
caracterele electrofiziologice ale neuronilor din girusul dentat, insa prezinta o
„descarcare” anormala si sincrona cu celulele piramidale CA3.
Acesti neuroni nou formati participa de asemenea la reorganizarea
aberanta a retelei din hipocampusul epileptic, cu conexiuni recurente de fibre
muschioase aberante si dendrite bazale persistente. In zona subventriculara,
proliferarea este crescuta semnificativ in modelul cu pilocarpina al
epileptogenezei limbice. Acesti neuroblasti au aratat o migrare mult mai rapida
catre bulbul olfactiv.
Fig. 14-4 – Girus dentat – stanga – status epileptic, dreapta – animal
control;
8
Cursul 14
Genetica epilepsiei
Epilepsia generalizata cu accese febrile plus (GEFS+) este prima din cele
trei epilepsii umane idiopatice pentru care s-a identificat o gena mutanta. Mai
precis este vorba despre o mutatie punctiforma prezenta in subunitatea β1 a unui
canal de Na+ dependent de voltaj (SCN1B) (fig. 14-5 si 14-6).
Fig. 14-5 – Canalul de Na+ cu cele 3 unitati α, β1, β2. O punte
disulfurica leaga subunitatile α si β2.
GEFS+ se manifesta tipic prin accese febrile aparute inaintea varstei de 3
luni si dupa 3 ani; dar de mai multe ori, crizele nu sunt insotite de febra. Gena
mutanta a fost identificata prin analize de linkage pe baza unui model dominant
autozomal dintr-un arbore genealogic mare, care a permis stabilirea unui locus
pe bratul lung al cromozomului 19, banda 13.1. Mutatia punctiforma identificata
consta in substitutia guaninei cu citozina in nucleotidul 387, care specifica
triptofanul in locul cisteinei. Ca urmare se rupe o punte disulfurica, probabil
esentiala pentru conservarea unei plieri de tip imunoglobulinic din domeniul
extracelular al lantului polipeptidic. Desi GEFS+ a fost recunoscuta destul de
recent ca o entitate distincta, se pare ca aceasta maladie este destul de frecventa.
9
Cursul 14
Fig. 14-6 – Canalul de Na+ dependent de voltaj – Subunitatea α este
alcatuita dintr-un singur lant polipeptidic cu 4 domenii care se repeta,
fiecare din ele fiind similar cu una din cele 4 subunitati ale canalului de K+
dependent de voltaj. Canalul de Ca2+ este similar canalului de Na+. Fiecare
subunitate sau domeniu are 6 pasaje transmembranare in α helix. Helixul
notat cu 4 contine mai multi aminoacizi incarcati pozitiv si functioneaza ca
un senzor de voltaj care mediaza deschiderea canalului ca raspuns la
stimularea potentialului membranar. Canalul de K+ este format din
asocierea a 4 unitati identice.
Daca presupunem ca nu ar fi fost descoperite medicamentele
antiepileptice, care sa stimuleze inactivarea canalelor de Na+, identificarea
SCN1B ca gena mutanta ar fi indicat totusi canalele de Na+ ca o tinta moleculara
pentru astfel de medicamente. Mai mult, medicamentele folosite in mod curent
combat crizele prin urmatoarele mecanisme:
1. inactivarea canalelor de Na+ (fig. 14-7);
2. limitarea activarii canalelor de Ca2+ de tip T;
3. intensificarea presupusei activari sinaptice a receptorilor GABA.
Fig. 14-7 – Incativarea canalelor de Na+ sub actiunea unor
medicamente antiepileptice.
10
Cursul 15
ACCIDENTUL VASCULAR CEREBRAL
METABOLISMUL NEURONAL IN SUFERINTELE
CEREBRALE ACUTE (CASCADA ISCHEMICA
CEREBRALA)
Suferintele cerebrale acute, indiferent de natura lor, initiaza o serie de
tulburari care conduc in final la aparitia unui deficit in aportul de glucoza si
oxigen la nivel cerebral.
Cascada ischemica cerebrala poate fi definita ca o succesiune de reactii
initiate de carenta de substrat energetic, care conduce la degenerescenta
neuronala.
Fiziopatologia ischemiei este dependenta de fluxul sanguin cerebral
rezidual si este diferita, in functie de extensia ischemiei (globala sau focala). In
cazul ischemiei focale, in jurul ariei afectate se descrie existenta unei zone de
,,penumbra ischemica", la nivelul careia persista un grad de irigatie sanguina.
„Penumbra ischemica" (fig. 15-1) este o zona de granita intre infarct si
tesutul sanatos, intre viata si moarte, fiind caracterizata printr-o refacere
completa si rapida a functiei, daca debitul sanguin cerebral se restabileste.
Fig. 15-1 – Zona de penumbra ischemica.
Spre deosebire de zona "penumbrei ischemice", in centrul ischemic
producerea de energie este la niveluri foarte joase, concentratia de ATP este
minima si pompa de ioni inceteaza sa mai functioneze. In conditii
experimentale, s-a constatat ca la aproximativ 20 secunde de la debutul
ischemiei cerebrale complete, concentratia ATP-ului cerebral este atat de joasa,
incat transmiterea sinaptica se intrerupe. Dupa circa 5 minute de ischemie
completa nu mai exista ATP. Se constata cresterea concentratiilor produsilor de
degradare ai ATP-ului, intre altele a xantinei. In continuare, in cursul ischemiei,
ATP-ul nu se mai poate genera, decat in conditiile unui metabolism anaerob,
caracterizat prin productie de lactat si acidoza tisulara. Intrucat pompele de ioni
ATP-dependente inceteaza sa mai functioneze, are loc iesirea K+ din celula si
intrarea in celula a Na+ si Ca2+, cu o crestere intracelulara a osmolaritatii si
1
Cursul 15
retentie consecutiva de apa. Se produc leziuni morfologice ireversibile in
"centrul" ("core") zonei de ischemie (fig. 15-2).
Fig. 15-2 – Efectele perfuziei anormale cerebrale.
Cunoasterea particularitatilor functionale si morfologice ale zonei de
"penumbra ischemica'' este importanta pentru ca aceasta zona este accesibila
diferitelor strategii terapeutice in faza acuta a ischemiei cerebrale. Restabilirea
prin mijloace terapeutice a functionalitatii si morfologiei zonei de "penumbra
ischemica" permite limitarea zonei de infarct cerebral si are consecinte asupra
evolutiei clinice si a prognosticului bolnavilor cu accident vascular cerebral
ischemic.
Existenta ischemiei cerebrale determina o reducere dramatica a aportului
de oxigen si glucoza la nivelul zonei afectate, care conduce la intreruperea
fosforilarii oxidative. Ca urmare a diminuarii rezervelor de ATP, apare o
disfunctie a pornpelor ionice ATP-dependente, responsabile de influxul de ioni
de Na+ si Ca2+ in celule si de pierderea de ioni de K+. Aminoacizii excitatori (de
exemplu glutamatul) eliberati ca urmare a depolarizarii membranare si inhibitiei
mecanismelor de recaptare vor stimula receptorii pentru glutamat, provocand un
influx de sodiu si calciu liber citosolic, cu cresterea concentratiei calciului
intracelular. Perturbarea homeostaziei intracelulare a calciului determina
activarea enzimelor celulare si generare de radicali liberi ai oxigenului, procese
care conduc in final la degenerescenta neuronala (fig. 15-3). Aceasta succesiune
de perturbari biochimice difera in cazul ischemiei focale de cea din ischemia
globala.
2
Cursul 15
Fig. 15-3 – Reprezentarea schematica a cascadei ischemice cerebrale.
I. PRODUCEREA NEURONALA DE ENERGIE IN CONDITII
FIZIOLOGICE
In conditii fiziologice, substratul energetic neuronal este asigurat prin
catabolizarea aeroba a glucozei. Fosforilarea oxidativa furnizeaza 36 de moli de
ATP pentru fiecare mol de glucoza consumat si este un proces complex care se
desfasoara la nivelul membranei mitocondriale interne, avand ca finalitate
cuplajul dintre oxidarea exergonica a NAD si FADH2 (compusi aparuti in cursul
glicolizei si ciclului Krebs) si sinteza de ATP (plecand de la ADP si anioni
fosfat). Pentru aceasta, fosforilarea oxidativa utilizeaza trei constituenti
fundamentali, reprezentati de lantul respirator mitocondrial, complexul ATP-
3
Cursul 15
sintetaza si sistemul de cuplaj chimic osmotic. Fosforilarea oxidativa permite
crearea a trei molecule de ATP pentru o molecula de NADH oxidata si a doua
molecule de ATP pentru o molecula de FADH2 oxidata (Cruce, 2000).
Suplimentar, neuronii dispun de doua mecanisme complementare care
contribuie la mentinerea constanta a continutului intracelular de ATP. Primul
mecanism este reprezentat de transferul reversibil al unei grupari fosfat intre
fosfo-creatina (PCr) si ATP, sub influenta creatinfosfokinazei, conform reactiei:
PCr + ADP + H+↔ ATP + Cr.
Al doilea mecanism este reprezentat de transferul reversibil al unei
grupari fosfat intre ADP si ATP, sub influenta adenilatkinazei, conform reactiei:
2 ADP ↔ ATP + AMP.
II. DEFICITUL ENERGETIC NEURONAL
In cazul hipoxiei ischemice, glicoliza anaeroba, care conduce la aparitia a
numai 2 moli de ATP, este blocata la stadiul oxidarii piruvatului si de asemenea,
la producere de lactat. Rezultatul metabolizarii anaerobe a glucozei este
reprezentat de producerea a 2 moli de lactat si a ionilor de H+.
Pe plan experimental, ischemia obtinuta prin cvadrupla ocluzie vasculara
la sobolan determina modificari semnificative ale nivelului tuturor metabolitilor
cerebrali (fosfocreatina, ATP, ADP, AMP, piruvat, lactat, glucoza, glicogen).
Concentratiile de fosfocreatina, ATP, glucoza si glicogen sunt diminuate cu
peste 90%. Suma nucleotizilor adenilici (ATP + ADP + AMP) este diminuata la
53%, iar concentratia lactatului creste de 7,7 ori. Dupa o ora de reperfuzie,
persista un deficit de 32% in concentratia ATP (raportat la valorile
preischemice), conducand la diminuarea concentratiei de nucleotide.
Acumularea de lactat si raportul lactat/piruvat sunt crescute de 43%, respectiv
77%.
Severitatea acidozei este corelata cu concentratia plasmatica preischemica
a glucozei. pH-ul intracelular scade la valori cuprinse intre 6,2-6,4 in conditiile
acidozei globale incomplete, valorile pH-ului fiind si mai reduse la animalele cu
hiperglicemie. Gravitatea acidozei lactice depinde de disponibilitatea glucozei si
de gradul de diminuare a producerii ATP.
ATP mitocondrial produs prin fosforilare oxidativa este utilizat pentru
necesitatile energetice celulare, dupa cum urmeaza:
- sinteza de proteine, acizi nucleici, acizi grasi, lipide, glucide complexe;
- transportul activ al ionilor si moleculelor prin membranele celulare;
- transferul informatiei genetice de la ADN la nivel ribozomal.
III. ALTERAREA FUNCTIONALITATII POMPELOR IONICE
Perturbarile functiei pompelor ionice, care utilizeaza energia furnizata
prin hidroliza ATP, determina modificarea schimburilor ionice.
4
Cursul 15
ATP-aza Na+/K+ dependenta, care transporta activ 3 ioni de sodiu din
mediul intracelular pentru 2 ioni de potasiu catre aceeasi zona este blocata. Ca
urmare, ionii de sodiu invadeaza celula, antrenand pasiv si influxul de ioni de
clor, in timp ce ionii de potasiu se pierd extracelular. Consecinta este
reprezentata de perturbarea a doua pompe de calciu: una localizata la nivelul
membranei reticulului endoplasmic, care participa la sechestrarea ionilor de
calciu si care este blocata, iar alta localizata la nivelul membranei si stimulata de
calmodulina, care nu mai expulzeaza ioni de calciu in mediul exterior.
Transportorii activi secundari sunt proteine care asigura transportul activ
al ionilor sau moleculelor, utilizand energia furnizata de transportul pasiv al
ionilor de Na+ sau H+. Acesti transportori nu isi mai exercita rolul, in situatia
deficitului energetic.
Transportorul Na+-Ca2+ participa la mentinerea unei concentratii optime
de ioni de Ca2+ intracelular. Afluxul ionilor de Ca2+ depinde de prezenta ionilor
Na+ in mediul extracelular. In situatii de ischemie, apare o inversare a acestui
schimb ionic.
Transportorul Na+-aminoacizi, care are rolul de a transporta moleculele de
glutamat sau aspartat din fanta sinaptica spre citoplasma neuronilor sau celulelor
gliale este un sistem de transport cu afinitate inalta, care utilizeaza ca sursa de
energie gradientul de ioni de sodiu (2 ioni Na+ pentru o molecula de glutamat
sau aspartat). Acest mecanism este de asemenea perturbat in conditii de
ischemie.
Scaderea sintezei ATP conduce la pierderea homeostaziei ionice, la
acidoza intra- si extracelulara si la edematiere celulara. Perturbarile celulare
ulterioare sunt reprezentate de lipoliza, proteoliza si inhibitia sintezei proteice,
care conduc rapid la moarte celulara la nivelul zonei infarctizate si mentinerea
temporara a viabilitatii celulelor din zona de penumbra ischemica (vezi figura
15-2).
IV. GLUTAMATUL Sl AFECTAREA CEREBRALA DE ORIGINE
ISCHEMICA
Glutamatul si aspartatul sunt aminoacizi excitatori, care determina
depolarizarea membranei postsinaptice si joaca un rol important in cadrul
metabolismului intermediar, in sinteza de proteine intracelulare si ca precursori
ai GABA. Principale substraturi ale glutamatului sunt glucoza si glutamina.
Glutamatul (glu) este sintetizat plecand de la glucoza, via ciclul Krebs, prin
interventia glutamatdehidrogenazei sau prin transaminarea acidului α-
cetoglutaric. Glutamina, de origine gliala, constituie o sursa importanta de
glutamat neuronal, in special la nivelul neuronilor glutaminergici (fig. 15-4).
La nivelul celulelor gliale, glutaminsintetaza converteste glutamatul in
glutamina, care este transportata de-a lungul terminatiilor nervoase prin
participarea unui sistem cu mare afinitate, apoi este oxidata la nivelul
5
Cursul 15
astrocitelor si transformata in acid α-cetoglutaric, care poate fi apoi transportat
activ intraneuronal ca sa inlocuiasca α-cetoglutaratul pierdut in cursul sintezei
glutamatului neuronal. Concentratiile de glutamat sunt de 1 μmol in spatiul
extracelular, de 10 mMol in citosol si de 100 mMol la nivelul veziculelor
presinaptice glutaminergice.
Fig. 15-4 – Eliberarea
glutamatului in fanta
sinaptica.
Aceste gradiente sunt mentinute prin doua sisteme distincte. Un sistem
sodiu-dependent, prezent la nivelul membranei presinaptice si celulelor gliale,
care prezinta o mare afinitate (2-20 μMoli) pentru glutamat si care, pentru
fiecare anion glutamat recaptat transporta intracelular trei ioni Na+ sau doi ioni
Na+ si un ion H+, cu pierderea unui ion K+ (acest sistem de transport este
dependent de gradientul de potential al ionului K+). Depolarizarea si/sau
cresterea nivelului K+ extracelular sunt diminuate. Al doilea sistem de transport
este identificat la nivel vezicular si permite acumularea anionilor glutamat, ca
urmare a actiunii unei ATP-aze veziculare. Acest sistem specific de recaptare
neuronala si gliala permite inactivarea neurotransmitatorului (vezi fig. 15-4).
Cercetarile ultimului deceniu au sugerat faptul ca aminoacizii excitatori
sunt implicati in fiziopatologia numeroaselor dezordini neurologice acute sau
cronice, in special in afectarea cerebrala de origine hipoxica ischemica sau
hipoglicemica.
Ischemia cerebrala se insoteste rapid de cresterea importanta a
concentratiei extracelulare a aminoacizilor excitatori. Eliberarea de glutamat din
6
Cursul 15
vezicule se realizeaza prin exocitoza, fenomen initiat de modificarile Ca2+.
Proteinkinaza C, foarte activa la nivelul terminatiilor glutaminergice, reprezinta
factorul principal de reglare si eliberare a glutamatului. Pe de alta parte,
recaptarea glutamatului, proces dependent in exclusivitate de nivelul energetic
celular, este inhibata in situatia ischemiei cerebrale. Aceasta recaptare gliala a
glutamatului este un proces electrogenic ce implica ionii de Ma2+ si este inhibat
de K+ extracelular. Cresterea marcata a concentratiei extracelulare a K+
observata in evolutia ischemiei cerebrale duce la blocarea acestui proces. Efectul
este accentuat de acidul arahidonic, care inbiba recaptarea glutamatului la nivel
neuronal si glial si intensifica curentii prin canalele receptorilor NMDA. Acidul
arahidonic extracelular si glutamatul actioneaza sinergic in determinarea
suferintei celulare (vezi fig. 15-3).
Accentuarea formarii de radicali liberi in cazul reperfuziei poate conduce
la inhibitia glutaminsintetazei, enzima gliala foarte sensibila la actiunea
radicalilor liberi ai oxigenului, care are drept consecinta cresterea glutamatului
extracelular. Radicalii liberi conduc in egala masura la eliberarea directa de
aminoacizi excitatori la nivelul hipocampului. In fine, acumularea extracelulara
de glutamat poate fi consecinta stimularii proteolizei, asociata cu acumularea
intracelulara de Ca2+ si moarte neuronala.
V. RECEPTORII NMDA Sl ACTIUNEA LOR REGLATOARE IN
ISCHEMIA CEREBRALA
V.1. RECEPTORII GLUTAMATERGICI
Studiile de electrofiziologie au demonstrat faptul ca glutamatul poseda
actiune neuroexcitatoare la nivelul unor receptori membranari specifici, cuplati
cu un canal cationic. Actual, se descriu 3 tipuri diferite de receptori (receptori
ionotropi) activati de catre aminoacizii excitatori si un tip de receptor
metabotrop (cuplat cu o proteina G). Receptorii ionotropi sunt caracterizati prin
sensibilitatea selectiva pentru agonistii si anatagonistii aminoacizilor excitatori,
activitatea dependenta de voltaj si distributia regionala diferita. Acesti receptori,
sunt denumiti dupa numele principalilor lor agonisti:
- receptori NMDA (activati de N-metil-D-aspartat);
- receptori AMPA (activati de α - amino - 3 hidroxi - 5 metil - 4 izoxazol
propionat);
- receptori KA (activati de kainat).
- receptorul metabotrop, Qp, este activat de quisqualat.
O alta clasificare a acestor receptori ii imparte in receptori pentru glutamat
activati de catre NMDA (receptori NMDA) si receptori insensibili la NMDA,
dar activati de quisqualat, de AMPA sau de kainat (receptori non-NMDA).
Canalele activate de AMPA/kainat sunt permeabile pentru cationii monovalenti,
7
Cursul 15
dar mai putin permeabile pentru ionii Ca2+. Canalele NMDA sunt permeabile
atat pentru cationii monovalenti, cat si pentru ionii Ca2+.
Receptorul NMDA este una dintre entitatile moleculare complexe (fig.
15-5), care include, pe langa un canal ionic, o unitate de recunoastere pentru
NMDA si situsuri modulatoare (situs glicina, poliamina si Zn2+). Aceste situsuri
sunt legate allosteric si localizate in domenii distincte in complexul receptor
NMDA. Raspunsul excitator declansat de agonistii NMDA prezinta
particularitatea de a fi modulati cel putin in parte de ionii de Mg2+ si Zn2+, care
joaca rol inhibitor si de catre glicina si poliamine, care au rol facilitator.
Fig. 15-5 - Reprezentarea schematica a receptorilor aminoacizilor
excitatori si a structurilor cu actiune la acest nivel (dupa Smith D. H.,
Mclntosh T. K., 1996). ACPD - acid amino-ciclopentan-dicarboxilic; AMPA
- α amino-3 metil-4 izoxazol propionat; APS – D,L-2 amino-3
fosfopropionat; APV - acid 2 amino-5 fosfovaleric; DM -dextrometorfan;
DX - dextrorfan; G - proteina G; GLU - glutamat; GLY - glicina; IPS -
inozitol trifosfat; PCP - fenciclidina; PLC - fosfolipaza C; QA - quisqualat;
LY 233053, CGS19755, GYKI, MK801, CPP3 - compusi cu actiune
neuroprotectoare.
Ionii de Mg2+ extracelular inhiba curentii indusi de activarea receptorilor
NMDA, prin blocarea canalului asociat receptorului. Inhibitia este completa in
conditii fiziologice, in schimb, daca celula este depolarizata, activarea
receptorilor NMDA conduce la depolarizare suplimentara.
Glicina exercita efect de potentare a raspunsului la NMDA la nivelul
neuronilor striatali in culturile de celule. Glicina nu deschide canalele NMDA,
insa creste probabilitatea de deschidere a acestora. Interactiunea allosterica intre
situsul glicinic si canalul asociat receptorului NMDA sta la baza acestui efect
modulator.
8
Cursul 15
Situsul sensibil la ionii de Zn2+ poate, de asemenea, modula raspunsul
NMDA. Ionii de Zn2+ pot reduce afinitatea agonistului sau eficacitatea acestuia.
V.2. DEREGLAREA RECEPTORILOR NMDA IN CONDITII DE
ISCHEMIE
Dereglarea actiunii receptorilor NMDA, care provoaca influx de ioni Ca2+,
este determinata de diferiti factori.
Primul factor implicat este reprezentat de deficitul energetic. Glutamatul
devine neurotoxic in conditiile deficitului energetic (deficit de glucoza, anoxie,
administrare de cianuri). Deficitul energetic neuronal stimuleaza receptorii
NMDA.
Un alt factor este cresterea extracelulara a concentratiei K+ care, in
conditiile scaderii Mg2+, duce la blocarea canalului din structura receptorului
NMDA si la amplificarea raspunsului obtinut la stimularea receptorului NMDA.
In crizele epileptice sau in conditii de ischemie cerebrala concentratiile
extracelulare crescute de K+ pot stimula excesiv receptorii NMDA.
Al treilea factor care contribuie la dereglarea receptorului NMDA in
cursul ischemiei cerebrale este reprezentat de cresterea concentratiilor
extracelulare de glutamat si aspartat (fig. 15-6). Acesti aminoacizi stimuleaza
receptorii AMPA/kainat, conducand la depolarizare celulara.
Fig. 15-6 –
Mecanismele
excitotixicitatii
9
Cursul 15
Cresterea metabolismului poliaminelor poate contribui la dereglarea
receptorilor NMDA. Ischemia cerebrala globala stimuleaza lantul enzimatic
implicat in sinteza de poliamine, cu formare de putresceina la nivelul cortexului
cerebral de sobolan in intervalul cuprins intre 8 si 24 de ore de la
revascularizatie. Stimularea de catre spermidina si spermina a situsului reglator
pentru poliamine asociat receptorului NMDA, la care se adauga facilitarea
eliberarii de aminoacizi excitatori sub influenta putresceinei, pot conduce la
amplificarea transmisiei NMDA-ergice.
V.3. NEUROTOXICITATEA INFLUXULUI MASIV DE CALCIU
Ionii de calciu pot intrebuinta teoretic cai diferite pentru a penetra
intraneuronal.
Prima cale de patrundere intraneuronala este reprezentata de canalul
pentru calciu asociat receptorului NMDA. Hiperactivarea puternica a numerosi
receptori NMDA determina excitotoxicitate rapid instalata; ea poate fi limitata
prin interventia mecanismelor endogene, cum ar fi cresterea Zn2+ extracelular,
acidoza extracelulara, GABA extracelular sau prin diminuarea concentratiei
Ca2+ extracelular.
O alta modalitate este reprezentata de activarea receptorilor
AMPA/kainat. Excitotoxicitatea se instaleaza lent, fiind indusa de stimularea
prelungita a acestei categorii de receptori, care intervin printr-un mecanism
indirect: in schimbul intrarii ionilor Na+, indusa de receptorii AMPA/kainat este
redus blocajul receptorilor NMDA de catre Mg2+ extracelular. Actiunea se
desfasoara cu precadere la nivelul neuronilor hipocampici si cerebelosi.
A treia modalitate prin care glutamatul poate induce influx de ioni Ca2+
implica o serie de canale de calciu dependente de voltaj, care pot fi activate ca
urmare a depolarizarii membranare initiate de glutamat. Aceste subtipuri de
canale de calciu sunt situate atat la nivelul terminatiilor nervoase, cat si la
nivelul corpului celular (vezi fig. 15-6).
Schimburile transmembranare Na+/Ca2+ care in mod normal joaca rol in
expulzia Ca2+, se pot inversa, permitand patrunderea Ca2+, in situatia in care
concentratia citosolica a Na+ este crescuta.
O alta modalitate de patrundere a Ca2+ este reprezentata de influxul
nespecific datorat distorsiunilor membranare secundare edematierii celulei.
VI. PERTURBAREA HOMEOSTAZIEI CALCIULUI
INTRACELULAR
Pompele Ca-ATP-azice, perturbate ca urmare a deficitului energetic
contribuie la cresterea Ca2+ intracelular. La aceasta se adauga accelerarea
eliberarii acestui ion din depozitele intracelulare, ca urmare a reducerii
acitivitatii proteinelor reglatoare (calmodulina, fosfataza 2B, calcineurina,
calbindina, parvalbumina si caretinina).
10
Cursul 15
Mitocondriile dispun de un sistem de schimb Na+/Ca2+ capabil sa transfere
excesul de calciu in citoplasma. In concentratii toxice, Ca2+ determina
intumescenta mitocondriilor si diminuarea potentialului membranar.
Neuronii elibereaza Ca2+ din rezervele sarcoplasmatice, care reprezinta un
stoc important de Ca2+ intracelular. Receptorul metabotrop (tip quisqualat) se
cupleaza cu fosfolipaza C prin intermediul unei proteine G, cliveaza fosfatidil
inozitol 4,5 difosfatul in diacilglicerol (DAG) si inozitoltrifosfat (IP3), care joaca
rol de mesageri secunzi. IP3 se leaga la nivelul receptorului specific al reticulului
sarcoplasmatic si determina eliberare de Ca2+ in citoplasma (vezi fig. 15-6).
Excesul de ioni Ca2+, aparut atat prin influx crescut, cat si prin eliberare
din depozitele intracelulare, initiaza procesele fiziopatologice care conduc la
degenerescenta neuronala.
Alti factori care participa in procesul ischemic
Fibrele simpatice noradrenergice produc vasoconstrictie prin eliberarea
de nor-adrenalina (NA) si neuropeptid Y (NPY). Activarea fibrelor simpatice
determina uneori reducerea debitului vascular cerebral. Ele sunt implicate si in
geneza vasospasmului din hemoragia subarahnoidiana.
Fibrele parasimpatice colinergice determina vasodilatatie prin eliberarea
de acetilcolina (ACh) si de polipeptid intestinal vasoactiv (VIP). Activarea lor
determina cresterea debitului sangvin cerebral. Date recente demonstreaza ca
fibrele nervoase parasimpatice au rol in reducerea suprafetei infarctului produs
prin ocluzia arterei cerebrale mijlocii.
Fibrele aminergice intervin in vasomotricitate prin intermediul
noradrenalinei (NA) sau al 5-hidroxitriptaminei (5-HT).
Sistemul nervos central este in mod particular expus la efectele biologice
ale 5-hidroxi-triptaminei (serotoninei), intrucat ea se produce si la acest nivel.
Endoteliile capilarelor cerebrale pot sintetiza serotonina din triptofanul circulant.
Terminatiile nervoase simpatice stocheaza 5-HT prin preluarea ei din sange; in
plexurile venoase perivasculare cerebrale exista fibre serotoninergice. Inervatia
serotoninergica se gaseste la nivelul arterelor si al arteriolelor cerebrale. Rolul
fiziologic al acestei inervatii in conditii normale este obscur, dar probabil ca
asigura protectia prin vasoconstrictie, fata de hiperperfuzia cerebrala
consecutiva hipercapniei. Serotonina joaca un rol minor atata vreme cat lumenul
vascular este intact. Aidoma altor neurotransmitatori, serotonina intervine in
mecanismele de autoreglare a debitului vascular cerebral.
Administrarea 5-HT in arterele carotide are efecte diferite. Swank a gasit
ca 5-HT creste perfuzia creierului dupa o singura administrare, in timp ce
administrari repetate determina deschiderea barierei hemato-encefalice si
vasoconstrictie. La babuin, injectarea de 5-HT in artera carotida externa
determina cresterea fluxului cerebral, dar il descreste, daca 5-HT este injectata in
artera carotida interna. Din aceste observatii experimentale se pare ca efectele
serotoninei depind de modul de administrare si de diametrul vascular.
11
Cursul 15
Diametrul arterei carotide interne este mai mare decat cel al carotidei
externe (7 mm fata de 6 mm), ceea ce determina o rezistenta mai mica la nivelul
carotidei interne. Artera carotida externa, avand un diametru mai mic, opune o
rezistenta mai mare efectului vasoconstrictor al serotoninei. Opunandu-se mai
puternic decat artera carotida interna la efectele serotoninei, injectarea de
serotonina in carotida externa va determina cresterea debitului circulator
cerebral. Artera carotida interna avand un diametru mai mare si rezistenta mai
mica, se va opune mai putin la efectele vasoconstrictoare si ca atare injectarea de
5-HT in carotida interna va fi urmata de scaderea debitului circulator cerebral.
Aceasta este explicatia inegalitatilor de debit vascular intre cele doua carotide la
injectarea de 5-hidroxi triptamina.
Probabil ca exista si diferente in capacitatea de sinteza a celulelor
endoteliale sau ca exista diferente intre subtipurile de receptori la 5-HT. Se pare
ca arterele cerebrale sunt mult mai sensibile la serotonina decat arterele
periferice.
12