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Illustrazione degli elementi principali di una sinapsi prototipica. Le sinapsi consentono alle cellule nervose di comunicare tra loro attraverso assoni e dendriti, convertendo gli impulsi elettrici in segnali chimici.

Le sinapsi chimiche sono giunzioni specializzate attraverso le quali le cellule del sistema nervoso segnalano l’una all’altra e alle cellule non neuronali come muscoli o ghiandole. Una sinapsi chimica tra un motoneurone e una cellula muscolare è chiamata giunzione neuromuscolare.

Le sinapsi chimiche consentono ai neuroni del sistema nervoso centrale di formare circuiti neurali interconnessi. Sono quindi cruciali per i calcoli biologici che sono alla base della percezione e del pensiero. Forniscono anche i mezzi attraverso i quali il sistema nervoso si connette e controlla gli altri sistemi del corpo.

Il cervello umano contiene un numero enorme di sinapsi chimiche, con i bambini piccoli che hanno circa 1016 sinapsi (10.000 trilioni.). Questo numero diminuisce con l’età, stabilizzandosi dall’età adulta. Le stime per un adulto variano da 1015 a 5 × 1015 sinapsi (da 1.000 a 5.000 trilioni).

La parola “synapse” deriva da “synaptein” che Sir Charles Scott Sherrington e i suoi colleghi hanno coniato dal greco “syn-” che significa “insieme” e “haptein” che significa “stringere”. Le sinapsi chimiche non sono l’unico tipo di sinapsi biologica: esistono anche sinapsi elettriche e immunologiche. Senza un qualificatore, tuttavia, “sinapsi” di per sé si riferisce più comunemente a una sinapsi chimica.

Anatomia

In una sinapsi chimica prototipica, come quelle che si trovano nelle spine dendritiche, una gemma a forma di fungo proietta da ciascuna delle due cellule e i cappucci di queste gemme premono l’uno contro l’altro. A questa interfaccia, le membrane delle due cellule si affiancano l’una all’altra attraverso uno spazio sottile, la cui ristrettezza consente alle molecole di segnalazione note come neurotrasmettitori di passare rapidamente da una cellula all’altra per diffusione. Questa lacuna, che è larga circa 20 nm, è nota come fessura sinaptica.

Tali sinapsi sono asimmetriche sia nella struttura che nel modo in cui operano. Solo il cosiddetto neurone pre-sinaptico secerne il neurotrasmettitore, che si lega ai recettori rivolti verso la sinapsi dalla cellula post-sinaptica. Il terminale del nervo pre-sinaptico (chiamato anche pulsante sinaptico o bouton) generalmente germoglia dalla punta di un assone, mentre la superficie bersaglio post-sinaptica appare tipicamente su un dendrite, un corpo cellulare o un’altra parte di una cellula. Le parti delle sinapsi in cui viene rilasciato il neurotrasmettitore sono chiamate zone attive. Nelle zone attive le membrane delle due cellule adiacenti sono tenute a stretto contatto dalle proteine di adesione cellulare. Immediatamente dietro la membrana post-sinaptica c’è un complesso elaborato di proteine interconnesse chiamate densità postsinaptica. Le proteine nella densità postsinaptica servono una miriade di ruoli, dall’ancoraggio e dal traffico dei recettori dei neurotrasmettitori nella membrana plasmatica, all’ancoraggio di varie proteine che modulano l’attività dei recettori. La cellula postsinaptica non deve essere un neurone e può anche essere una ghiandola o cellule muscolari.

Segnalazione attraverso sinapsi chimiche

Il rilascio di neurotrasmettitore è innescato dall’arrivo di un impulso nervoso (o potenziale d’azione) e si verifica attraverso un insolitamente rapido processo di secrezione cellulare, noto anche come esocitosi: all’Interno di pre-sinaptica nervo terminale, vescicole contenenti il neurotrasmettitore sedersi “ancorata” e pronto a membrana sinaptica. Il potenziale d’azione in arrivo produce un afflusso di ioni calcio attraverso canali ionici voltaggio-dipendenti e calcio-selettivi. Gli ioni del calcio poi innescano una cascata biochimica che provoca la fusione delle vescicole con la presinaptica-membrana e rilasciando il loro contenuto alla fessura sinaptica. La fusione delle vescicole è guidata dall’azione di un insieme di proteine nel terminale presinaptico noto come insidie. La membrana aggiunta da questa fusione viene successivamente recuperata dall’endocitosi e riciclata per la formazione di vescicole fresche piene di neurotrasmettitori. I recettori sul lato opposto del gap sinaptico legano le molecole del neurotrasmettitore e rispondono aprendo i canali ionici vicini nella membrana cellulare post-sinaptica, causando agli ioni di precipitarsi dentro o fuori e cambiando il potenziale transmembrana locale della cellula. La variazione di tensione risultante è chiamata potenziale postsinaptico. In generale, il risultato è eccitatorio, nel caso di correnti depolarizzanti, o inibitorio nel caso di correnti iperpolarizzanti. Se una sinapsi è eccitatoria o inibitoria dipende da quale tipo(s) di canale ionico condurre la visualizzazione corrente post-sinaptica(s), che a sua volta è una funzione del tipo di recettori e neurotrasmettitore impiegato alla sinapsi.

Modulazione della trasmissione sinaptica

Dopo la fusione delle vescicole sinaptiche e il rilascio di molecole trasmittenti nella fessura sinaptica, il neurotrasmettitore viene rapidamente eliminato dallo spazio per il riciclaggio da proteine di membrana specializzate nella membrana pre-sinaptica o post-sinaptica. Questo “re-uptake” impedisce la “desensibilizzazione”dei recettori post-sinaptici e assicura che i potenziali d’azione successivi suscitino lo stesso potenziale post-sinaptico (“PSP”). La necessità di ri-assorbimento e il fenomeno della desensibilizzazione nei recettori e nei canali ionici significa che la forza di una sinapsi può in effetti diminuire quando un treno di potenziali d’azione arriva in rapida successione phenomenon un fenomeno che dà origine alla cosiddetta dipendenza in frequenza delle sinapsi. Il sistema nervoso sfrutta questa proprietà per scopi computazionali e può sintonizzare le sue sinapsi attraverso mezzi come la fosforilazione delle proteine coinvolte. Anche la dimensione, il numero e il tasso di rifornimento delle vescicole sono soggetti a regolazione, così come molti altri elementi della trasmissione sinaptica. Ad esempio, una classe di farmaci noti come inibitori selettivi della ricaptazione della serotonina o SSRI influenzano alcune sinapsi inibendo la ricaptazione del neurotrasmettitore serotonina. Al contrario, un importante neurotrasmettitore eccitatorio, l’acetilcolina, non subisce la ricaptazione, ma viene invece rimosso dalla sinapsi dall’azione dell’enzima acetilcolinesterasi.

Integrazione di input sinaptici

Generalmente, se una sinapsi eccitatoria è forte, un potenziale d’azione nel neurone pre-sinaptico ne attiverà un altro nella cellula post-sinaptica; mentre in una sinapsi debole il potenziale eccitatorio post-sinaptico (“EPSP”) non raggiungerà la soglia per l’iniziazione del potenziale d’azione. Nel cervello, tuttavia, ogni neurone forma tipicamente sinapsi con molti altri, e allo stesso modo ciascuno riceve input sinaptici da molti altri. Quando i potenziali di azione sparano simultaneamente in parecchi neuroni che debolmente sinapsi su una singola cella, possono iniziare un impulso in quella cella anche se le sinapsi sono deboli. Questo processo è noto come sommatoria. D’altra parte, un neurone pre-sinaptico che rilascia un neurotrasmettitore inibitorio come il GABA può causare un potenziale postsinaptico inibitorio nel neurone post-sinaptico, diminuendo la sua eccitabilità e quindi diminuendo la probabilità del neurone di sparare un potenziale d’azione. In questo modo l’output di un neurone può dipendere dall’input di molti altri, ognuno dei quali può avere un diverso grado di influenza, a seconda della forza della sua sinapsi con quel neurone. John Carew Eccles eseguì alcuni dei primi importanti esperimenti sull’integrazione sinaptica, per i quali ricevette il premio Nobel per la Fisiologia o la Medicina nel 1963. Le complesse relazioni input / output costituiscono la base dei calcoli basati su transistor nei computer e si pensa che figurino in modo simile nei circuiti neurali.

Forza sinaptica

La forza di una sinapsi è definita dal cambiamento nel potenziale transmembrana risultante dall’attivazione dei recettori dei neurotrasmettitori postsinaptici. Questo cambiamento di tensione è noto come potenziale post-sinaptico ed è un risultato diretto delle correnti ioniche che fluiscono attraverso i canali del recettore post-sinaptico. Cambiamenti nella forza sinaptica può essere di breve durata e senza cambiamenti strutturali permanenti nei neuroni stessi, della durata di secondi a minuti o a lungo termine ( potenziamento a lungo termine (LTP), in cui ripetuta o continua attivazione sinaptica può risultato nel secondo messaggero molecole di iniziare la sintesi delle proteine nel neurone nucleo, con conseguente alterazione della struttura delle sinapsi stesso. Si ritiene che l’apprendimento e la memoria derivino da cambiamenti a lungo termine nella forza sinaptica, attraverso un meccanismo noto come plasticità sinaptica.

Relazione con le sinapsi elettriche

Una sinapsi elettrica è un collegamento meccanico ed elettricamente conduttivo tra due neuroni adiacenti che si forma in uno stretto spazio tra le cellule pre – e postsinaptiche noto come giunzione di gap. Alle giunzioni gap, le cellule si avvicinano a circa 3,5 nm l’una dall’altra (Kandel et al., 2000, p. 179), una distanza molto più breve della distanza da 20 a 40 nm che separa le cellule alle sinapsi chimiche (Hormuzdi et al., 2004). A differenza delle sinapsi chimiche, il potenziale postsinaptico nelle sinapsi elettriche non è causato dall’apertura dei canali ionici da parte di trasmettitori chimici, ma dall’accoppiamento elettrico diretto tra entrambi i neuroni. Le sinapsi elettriche sono quindi più veloci e affidabili delle sinapsi chimiche. Le sinapsi elettriche si trovano in tutto il sistema nervoso, ma sono meno comuni delle sinapsi chimiche.