INTRODUCERE IN STUDIUL SISTEMULUI NEURAL

Consideram ca denumirea larg raspandita de "sistem nervos" este nepotrivita, deoarece acest sistem (de fapt subsistem al sistemului considerat a fi corpul omenesc viu) cuprinde nu numai nervii, ci toate structurile care au drept celule specifice neuronii.

Termenul nerv provine din limba latina, unde nervus are sensuri numeroase: tendon, vena, vana, arc, coarda de instrument muzical, curea de legat, legatoare, catusa, inchisoare, iar in sens figurat, forta, putere, vigoare, nerv, tarie, element esential.

Sistemul neural ca sistem informatic, este un ansamblu de elemente care asculta de un complex de reguli de functionare bine definite, in vederea indeplinirii unui anumit scop. Intr-un astfel de sistem intra informatii din mediul extern si/sau intern, numite semnale de intrare, iar sistemul genereaza comenzi, numite semnale de iesire.

Omul este un sistem biologic complex care receptioneaza informatii, le prelucreaza, le stocheaza si le transmite altor sisteme. El detine structuri adaptate functional receptionarii, conducerii, analizei, integrarii si prelucrarii informatiei, precum si transmiterii ei altor sisteme.

Definitie: sistemul neural reprezinta totalitatea structurilor care participa la asigurarea integrarii elementelor biosistemului pentru indeplinirea functiilor si a adaptarii la variatiile parametrilor mediului inconjurator.

Unitatea structurala a sistemului neural este arcul reflex, iar unitatea functionala este actul reflex.

Etapele in cunoasterea sistemului neural

In etapa empirica se studiaza formele sistemului nervos la nivel macroscopic. Aristotel (384-322) a fost primul care a identificat nervul si l-a deosebit de tendoane. Erasistrat (300-250) si apoi Galenus (131-201) au stabilit existenta a doua grupe de nervi, unii pentru miscare, altii pentru sensibilitate. Herophilus introduce disectia creierului de om la Scoala din Alexandria; el a fost primul care a deosebit creierul mare (cerebrum) de creierul mic (cerebel) si a descris ventriculul IV. De la Herophilus a ramas denumirea de "calamus scriptorius" unui complex de structuri situate in fosa romboida. Tiedeman (1781-1861) descrie prima oara encefalul fatului de om. Reil (1759-1813) descrie lobul insulei si realizeaza studii de anatomie comparativa si embriologie asupra cerebelului. Owen (1868) efectueaza studiul giratiei emisferelor cerebrale. Arnold (1842) descrie anatomia dezvoltarii girusului hipocampic la primate.

2. Etapa structurala s-a ocupat cu studiul microanatomic. Flechsig (1876) descopera procesul de mielinizare a fibrelor nervoase. Fritz si Hitzig (1870) descriu primele localizari corticale. Broca (1874) descrie centrul vorbirii. His (1887) demonstreaza originea axonilor din neuroblasti. Golgi si Cajal obtin in 1906 Premiul Nobel pentru vizualizarea structurilor sistemului nervos si elaboreaza doctrina neuronala. Campbel, Vogt si Brodman (1909) introduc in studiul cortexului cerebral conceptul de citoarhitectura.

3. Etapa functionala (studiul functiilor). Claude Bernard (1856) demonstreaza ca aplicarea curarei la jonctiunea neuronilor blocheaza excitarea muschiului de catre nerv. Sherrington (1897) introduce termenul de sinapsa (din gr. synapsis = punct de atasare) pentru zonele de unire interneuronala, neuroreceptoare, neuroefectoare. Pavlov (1904) primeste premiul Nobel pentru studiul reflexului conditionat. Si Sherrington primeste premiul Nobel in 1930, impreuna cu Douglas, pentru contributii la studiul functiilor neuronilor. Loewi si Dale primesc premiul Nobel in 1936 dupa ce au demonstrat ca acetilcolina este neurotransmitator atat la jonctiunea neuromusculara, cat si la sinapsele din ganglionii sistemului vegetativ, iar Spemann studiaza efectele inductiei in dezvoltarea embrionului. Heymans (premiul Nobel 1938) demonstreaza rolul jucat de sinusul carotic in relglarea respiratiei. Erlanger si Gasser (premiul Nobel 1944) studiaza diferentierea functionala a fibrelor nervoase. Bekesy (premiul Nobel 1961) aduce contributii la studiul mecanismului fizic de stimulare a cochleei. Sparry, Hubel si Weissel (premiul Nobel 1981) descriu procesarea informatiei in sistemul vizual si specializarea functionala a emisferelor cerebrale.

4. Etapa moleculara. Eccles, Hodgkin si Huxley (premiul Nobel 1963) studiaza mecanismele ionice la nivelul membranei celulei nervoase pentru excitarea si inhibitia in portiunile centrale si periferice ale sistemului neuronal. Cohen si Rita Levi Montalcini (premiul Nobel 1986) aduc contributii la cunoasterea factorilor de crestere si in special a NGF (factorul de crestere neuronala). Gilman si Robdel (premiul Nobel 1994) studiaza proteinele G si rolul acestor proteine in transductia din celule. Transductia este procesul prin care o celula converteste un semnal extracelular intr-un raspuns. Proteina G este legata de GPT (guanozin 5' trifosfat) si are rol in semnalizarea celulara. Carlson, Greengard si Kandel (premiul Nobel 2000) aduc contributii asupra cunoasterii transductiei in sistmul neuronal. Brenner, Horvitz si Sulston (premiul Nobel 2002) studiaza reglarea genetica a dezvoltarii organelor, precum si apoptoza (moartea celulara programata).

Metode morfologice de studiu si cercetare a sistemului neuronal

Aceste metode au fost puse la punct pe parcursul istoriei, pe masura ce trebuiau rezolvate probleme referitoare la fixarea si includerea tesutului nervos, colorantii si impregnarea argentica, calitatea microscoapelor.

Drept fixatori, Reil a introdus alcoolul, iar Hannover a descoperit in 1840 acidul cromic. Includerea fragmentelor fixate a fost posibila dupa 1825, cand Faraday descopera benzenul si face, astfel, posibila includerea la parafina. Duval recomanda in 1879 includerea in colodiom si, ulterior, in celoidina.

Metodele de colorare si impregnare sunt perfectionate de Deiters, care introduce coloratia cu carmin, ce permite deosebirea dendritelor de axoni, precum si de Golgi si Cajal, care introduc impregnatia argentica. Nissl introduce coloratia cu albastru de metilen si pune astfel in evidenta corpusculii cromatofili, iar Weigert (1882) introduce o metoda de colorare a mielinei cu fucsina acida dupa pretratare cu bicromat de potasiu.

Calitatea microscoapelor se imbunatateste pe masura ce Zernicke (1935) introduce microscopia in contrast de faza, Smith (1947) microscopia interferentiala, Casperson (1936) microsopia in ultraviolet, ce permite lui Fuxe sa faca o clasificare a neuronilor dupa tipul de neurosecretii.

Celulele sistemului neuronal

Termenul de neuron a fost introdus de Waldeyer in 1891, referindu-se la celula specifica structural si functional a tesutului nervos, pe care, din acest motiv, este mai portivit sa-l denumim "tesut neuronal". Unii autori considera incorect neuronul drept unitate structurala si functionala a sistemului neuronal; aceasta calitate trebuie atribuita, dupa cum vom vedea mai departe, arcului si, respectiv, actului reflex.

Din punct de vedere structural, neuronul este alcatuit din corp (numit si pericarion) si prelungiri (neurite): axonul si un numar variabil de dendrite. In pericarion se gasesc organite specifice, dupa cum urmeaza:

Corpusculii cromatofili (Nissl, 1892), prezenti in neuroplasma si in dendrite, dar care nu patrund in axon. Gheorghe Marinescu a studiat diferentierea lor in ontogeneza. Ulterior, microscopia electronica a aratat ca ei sunt de fapt reticul endoplasmatic rugos. Neurofibrilele (Cajal, premiul Nobel 1906), evidentiabile prin metode de impreganre argentica, realizeaza o retea in pericarion si manunchiuri in prelungiri. Neurotubulii, cu diametru de 200 Å, sunt prezenti in intregul neuron si au rol in procesele de excitabilitate.

In plus, pericarionul mai contine si pigment, oxidaze, glicogen si fier. Pigmentul galben (de uzura, lipofuscinic) este prezent in neuronii din ganglionii spinali sau in neuronii de talie mare din sistemul neural central. Pigmentul negru are doua componente (lipidica si melanica) si este prezent in neuronii din locus coeruleus si locus niger. Oxidazele si glicogenul se gasesc in pericarion si dendrite, iar fierul este prezent in neuronii din locus coeruleus si locus niger, globus pallidus si din nucleii dintati ai cerebelului.

Cea de-a doua componenta celulara a teutului neural este componenta gliala, reprezentata de macroglie si oligodendroglie (derivate din ectoderm), precum si de microglie, derivata din mezenchim.

ANATOMIA CAILOR DE CONDUCERE.

Caile de conducere sunt reprezentate de fibrele nervoase si de fasciculele de fibre nervoase. Fibrele nervoase sunt alcatuite din punct de vedere neuronal din axoni sau dendrite lungi, invelite de tecile de mielina, Schwann si conjunctiva (Henle-Kay-Retzius). Fasciculele de fibre nervoase sunt reprezentate de funicule (in sistemul nervos central) si nervi (in sistemul nervos periferic).

Comunicarea in sistemul neuronal

In sistemul neuronal, informatia este receptionata, memorizata, prelucrata si transformata in semnale prin care isi dirijeaza propria activitate si/sau o transmite altor sisteme. Informatiile se transmit cifrat (deci codificat), prin canale de legatura situate intre sursa si receptori. Unitatea de masura a informatiei se numeste bit. Notiunea de cantitate de informatie este legata de aceea de entropie. Cantitatea de informatie dintr-un sistem este o masura a gradului de organizare a acestui sistem. Entropia unui sistem reprezinta masura gradului de dezorganizare a sistemului. Intr-un sistem, cu cat creste cantitatea de informatie, cu atat scade entropia.

In sistemul neuronal, folosim expresia de "comunicare prin semnale" sau pur si simplu "semnalizare". Semnalul este o structura conventionala folosita pentru a transmite la distanta o informatie (sau o comanda).

Etape in cunoasterea comunicarii informatiei prin semnale in sistemul neuronal

1. Etapa experimentala: folosirea de catre indienii amazonieni si din America Centrala a sageetilor otravite cu d-tubocurarina (curara), un toxic paralitic de origine vegetala; Claude Bernard (1886) studiaza aplicarea de curara la jonctiunea neuromusculara si demnstreaza locul si mecanismul de actiune. Langley si Dickinson (1889) arata ca nicotina intrerupe transmisia ganglionara asigurata de acetilcolina. Loewi a observat in 1921 ca sectionarea nervului vag determina bradicardie.

2. Etapa structurala: vizualizarea neurofibrilelor (Golgi, 1906) si a butonilor terminali (Cajal, 1906); stabilirea raportului interneuronale s-a disputat intre doua teorii: toria reticulara (de continuitate) Gherlach (1871) si Golgi (1906) si teoria neuronala (de contiguitate) Ramon y Cajal, care primeste premiul Nobel pentru doctrina neuronala. Microscopia electronica a evidentiat componentele sinapsei: elementul presinaptic, fanta sinaptica si elementul postsinaptic.

3. Etapa biochimica si farmacologica se remarca prin studierea neurotransmitatorilor noradrenalina (Bacq, 1936) si acetilcolina (Dixon si Hunt, 1907; Dale 1914; Loewi, 1921).

4. Etapa moleculara este in curs de desfasurare, studiindu-se receptorii din membrana postsinaptica.

Structura sinapsei

Sinapsa este alcatuita dintr-un element presinaptic (butonul terminal) alcatuit din vezicule sinaptice ce contin neurotransmitatorul, neurofilamente si reticul endoplasmic; fanta sinaptica cu o largime de 20 nm si elementul postsinaptic, care este o ingrosare a membranei postsinaptice si contine receptori specifici neurotransmitatorului.

In sistemul nervos, informatia este transmisa prin semnale electrice si/sau prin semnale/mesaje chimice. Deci, se descriu sinapse electrice (dependente de voltaj) si chimice (dependente de neurotransmitatori). Cele mai raspandite sunt sinapsele chimice, unde legarea neurotransmitatorului cu receptorul sau deschide "canale" si permite circulatia ionilor in lungul gradientului electrochimic.

Problema receptorilor

Receptorii se pot imparti in patru superfamilii sau categorii in functie de organizarea lor structurala si sistemele cu care sunt conectate:

Categoria I: Receptorii constituiti dintr-o proteina care include un canal membranar. Astfel sunt organizati receptorii colinergici nicotinici si receptorii pentru aminoacizi neurotransmitatori (GABA, glicina, acidul glutamic, acidul aspartic). Proteina alosterica este formata din 4 sau 5 subunitati. Fiecare subunitate consta dintr-un lant care traverseaza membrana celulara de 4 ori. Posturile terminale -NH₂ si -COOH sunt localizate extracelular. Fata hidrofila a unuia din segmentele intramembranare delimiteaza canalul membranar.

In cazul receptorului colinergic nicotinic, cele 5 subunitati marginesc un canal pentru cationi (Na⁺, Ca²⁺, K⁺). Actionarea receptorului de catre acetilcolina sau alt agonist specific, deschide canalul membranar, cu influx de ioni de sodiu, depolarizare si excitatie.

Receptorul GABA include un canal pentru ionii de clor care se deschide sub influenta aminoacidului cu influx de Cl^-, hiperpolarizare, inhibitie.

Categoria II: Receptorii formati dintr-o proteina transmembranara care fixeaza agonistul la nivelul portiunii care proemina extracelular si are activitate enzimatica in portiunea dinspre citoplasma. Actionarea unor asemenea receptori determina nemijlocit modificarea functiei lor enzimatice cu consecinte metabolice si functionale.

Astfel actioneaza insulina si anumiti hormoni trofici, precum si factori de crestere, care activeaza o proteinkinaza cu functie de receptor, ca urmare a fosforilarii resturilor de tirozina din componenta polipeptidei enzimatice. In acelasi timp, este catalizata fosforilarea anumitor substraturi proteice din citoplasma. Peptida Natriuretica Atriala (PNA) actioneaza tot un receptor enzimatic, dar cu activator guanilat ciclaza.

Categoria a III-a: Receptori cuplati cu proteina G sau receptori in serpentina. Ei constau dintr-un complex care include: o proteina receptoare a semnalului reprezentat agonist, o proteina de cuplare, cu functii reglatoare si un sistem efector ce constau dintr-o enzima sau un canal ionic.

Proteina receptoare este cudata, traverseaza de 7 ori membrana celulara: descrie 3 bucle extracelulare si 3 bucle intracelulare, precum si 7 portiuni intramembranare (intre bucle) hidrofile. Capetele lantului proteic sunt situate extracelular pentru portiunea -NH₂ terminala si intracelular pentru portiunea -COOH terminal. Agonistul specific se fixeaza pe suprafata externa a proteinei receptoare. Cuplarea cu proteina reglatoare se face la nivelul celei de a 3-a bucle intracelulare si al portiunii C-terminale.

Proteinele reglatoare (denumite proteine G, doarece leaga Guanin-nucleotide), sunt formate din subunitati notate cu α, β si γ. Subunitatile cuprind locuri de legare pentru GTP si activitatea ATP-azica. Diferentele intre subunitatile α au permis descrierea a peste 20 de tipuri de protine G. Formarea complexului agonist - proteina receptoare comanda schimbul GDP - GTP la nivelul subunitatii α cu disocierea consecutiva a acestor de subunitate β si γ.

Ca urmare sunt actionate pozitiv sau negativ anumite enzime efectoare (adenilat ciclaza fosfolipaza C, fosfolipaza A2), cu punerea in functie a sistemului mesager secund corespunzator (adenilat ciclic, IP3, DAG/Ca²⁺, prostanoizi) sau cu modificarea unor canale membranare pentru Ca²⁺ sau K⁺. Proteinele din grupa Gs activeaza adenilat ciclaza si pot deschide canale cationice in miocard; proteinele din grupa Gi inhiba adenilat ciclaza si pot fi cuplate cu canale ionice. Proteinele din grupa Gq activeaza fosfolipaza CF, deschid unele canale ale potasiului si inchid unele canale ale calciului.

Receptorii cuplati cu proteine G corespund unor neurotransmitatori: noradrenalina (efecte β si α), dopamina, acetilcolina, serotonina, histamina, opioide, Hormonii peptidici.

Categoria a IV-a: Receptori care se gasesc intracelular. Ei sunt receptori pentru hormonii steroizi si tiroidieni, vitaminele D si retinoizii. Localizarea lor nu este bine precizata. Ei pot fi in echilibru intre nucleu si citoplasma, posibil asociati microtubulilor. Receptorii nucleari sunt proteine cu -N si -C terminal. Ei sunt alcatuiti dintr-o portiune nespecifica, ce contine o secventa de aminoacizi comuna, si 3 domenii functionale specifice. Domeniul cuprins in regiunea carboxi-terminala leaga molecula agonista (hormon sau vitamina). In portiunea de mijloc a proteinei se gaseste un domeniu prin care se realizeaza legarea de ADN. Aceste 2 domenii sunt situate in aceleasi pozitii relative pentru toti receptorii. Regiunea cu gruparea amino-terminala cuprinde un domeniu cu functie de agonist, care trec prin membrana si ajung specifici ca urmare, complexul agonist-receptor se fixeaza de ADN la nevelul unui situs specific.

BAZELE ANATOMICE ALE ARCULUI REFLEX

Unitatea structurala a sistemului neuronal este arcul reflex, iar unitatea functionala este actul reflex.

Considerat ca un sistem informatic, sistemul neuronal este organizat pe principii cibernetice. Astfel, semnalele de intrare sunt provenite de la receptori, care preiau informatia de pe diferite suporturi fizico-chimice din mediul extern sau intern (presiune sau vibratie mecanica, temperatura, fotoni, concentratie a unor substante chimice solubile sau volatile etc.) si o transfera protoneuronului senzitiv sub forma de unda de depolarizare electrica (influx nervos). Protoneuronul, la randul sau, transmite influxul nervos direct sau prin intermediul mai multor neuroni de asociatie (cai aferente) catre centrul nervos. Ca urmare a prelucrarii informatiei, de la centrul nervos pornesc semnale de iesire, sub forma de comenzi pe caile motorii (eferente). Eferenta somatica presupune un singur neuron motor periferic, in timp ce eferenta vegetativa contine, pe aceeasi portiune, doi neuroni ce se interconecteaza intr-un ganglion vegetativ.

Tabelul nr.

Clasificarea neuronilor

Tabelul nr.

Clasificarea fibrelor nervoase

Tabelul nr.

Clasificarea sinapselor