Come funziona il midollo spinale

Qual è il sistema nervoso centrale?

Il sistema nervoso centrale (SNC) controlla la maggior parte delle funzioni del corpo e della mente. Consiste di due parti: il cervello e il midollo spinale.

Il cervello è il centro dei nostri pensieri, l’interprete del nostro ambiente esterno e l’origine del controllo sul movimento del corpo. Come un computer centrale, interpreta le informazioni dai nostri occhi (vista), orecchie (suono), naso (odore), lingua (gusto) e pelle (tatto), nonché da organi interni come lo stomaco.,

Il midollo spinale è l’autostrada per la comunicazione tra il corpo e il cervello. Quando il midollo spinale viene ferito, lo scambio di informazioni tra il cervello e altre parti del corpo viene interrotto.

In che modo il sistema nervoso centrale differisce dagli altri sistemi del corpo?

La maggior parte dei sistemi e degli organi del corpo controlla solo una funzione, ma il sistema nervoso centrale fa molti lavori allo stesso tempo. Controlla tutti i movimenti volontari, come la parola e il camminare, e movimenti involontari, come lampeggiare e respirare., È anche il nucleo dei nostri pensieri, percezioni ed emozioni.

In che modo il sistema nervoso centrale si protegge dalle lesioni?

Il sistema nervoso centrale è protetto meglio di qualsiasi altro sistema o organo del corpo. La sua principale linea di difesa sono le ossa del cranio e della colonna vertebrale, che creano una dura barriera fisica alle lesioni. Uno spazio pieno di liquido sotto le ossa, chiamato syrnix, fornisce assorbimento degli urti.

Sfortunatamente, questa protezione può essere un’arma a doppio taglio., Quando si verifica una lesione al sistema nervoso centrale, il tessuto molle del cervello e del midollo spinale si gonfia, causando pressione a causa dello spazio ristretto. Il gonfiore peggiora la lesione a meno che non venga rapidamente alleviata. Le ossa fratturate possono portare a ulteriori danni e alla possibilità di infezione.

Perché il sistema nervoso centrale non può ripararsi dopo l’infortunio?

Molti organi e tessuti del corpo possono recuperare dopo l’infortunio senza intervento. Sfortunatamente, alcune cellule del sistema nervoso centrale sono così specializzate che non possono dividere e creare nuove cellule., Di conseguenza, il recupero da una lesione cerebrale o del midollo spinale è molto più difficile.

La complessità del sistema nervoso centrale rende molto difficile la formazione delle giuste connessioni tra cervello e cellule del midollo spinale. È una sfida enorme per gli scienziati ricreare il sistema nervoso centrale che esisteva prima dell’infortunio.

Cellule del sistema nervoso centrale

I neuroni si connettono tra loro per inviare e ricevere messaggi nel cervello e nel midollo spinale., Molti neuroni che lavorano insieme sono responsabili di ogni decisione presa, ogni emozione o sensazione sentita e ogni azione intrapresa.

La complessità del sistema nervoso centrale è sorprendente: ci sono circa 100 miliardi di neuroni nel cervello e nel midollo spinale combinati. Sono stati identificati ben 10.000 diversi sottotipi di neuroni, ognuno specializzato per inviare e ricevere determinati tipi di informazioni. Ogni neurone è costituito da un corpo cellulare, che ospita il nucleo. Assoni e dendriti formano estensioni dal corpo cellulare.,

Gli astrociti, una specie di cellula gliale, sono le cellule di supporto primarie del cervello e del midollo spinale. Producono e secernono proteine chiamate fattori neurotrofici. Inoltre abbattono e rimuovono proteine o sostanze chimiche che potrebbero essere dannose per i neuroni (ad esempio, il glutammato, un neurotrasmettitore che in eccesso fa sì che le cellule diventino sovraeccitate e muoiano con un processo chiamato eccitotossicità).

Gli astrociti non sono sempre utili: dopo l’infortunio, si dividono per creare nuove cellule che circondano il sito della lesione, formando una cicatrice gliale che è una barriera agli assoni rigeneranti.,

Le microglia sono cellule immunitarie per il cervello. Dopo l’infortunio, migrano verso il sito di lesione per aiutare a eliminare le cellule morte e morenti. Possono anche produrre piccole molecole chiamate citochine che innescano le cellule del sistema immunitario per rispondere al sito di lesione. È probabile che questo processo di pulizia svolga un ruolo importante nel recupero della funzione a seguito di una lesione spinale.

Gli oligodendrociti sono cellule gliali che producono una sostanza grassa chiamata mielina che avvolge gli assoni in strati., Le fibre dell’assone isolate dalla mielina possono trasportare i messaggi elettrici (anche chiamati potenziali di azione) ad una velocità di 100 metri al secondo, mentre le fibre senza mielina possono trasportare soltanto i messaggi ad una velocità di un metro al secondo.

Sinapsi e neurotrasmissione

I messaggi vengono trasmessi da neurone a neurone attraverso sinapsi, piccoli spazi tra le cellule, con l’aiuto di sostanze chimiche chiamate neurotrasmettitori., Per trasmettere un messaggio di potenziale d’azione attraverso una sinapsi, le molecole di neurotrasmettitore vengono rilasciate da un neurone (il neurone “pre-sinaptico”) attraverso il gap al neurone successivo (il neurone “post-sinaptico”). Il processo continua fino a quando il messaggio raggiunge la sua destinazione.

Ci sono milioni e milioni di connessioni tra i neuroni all’interno del midollo spinale da solo. Queste connessioni vengono effettuate durante lo sviluppo, utilizzando segnali positivi (fattori neurotrofici) e negativi (proteine inibitorie) per metterli a punto. Sorprendentemente, un singolo assone può formare sinapsi con ben 1.000 altri neuroni.,

Che cosa causa la paralisi?

Esiste un’organizzazione topografica logica e fisica per l’anatomia del sistema nervoso centrale, che è una rete elaborata di percorsi neurali strettamente connessi. Questa relazione ordinata significa che diversi livelli segmentali del cavo controllano cose diverse e la lesione di una particolare parte del cavo avrà un impatto sulle parti vicine del corpo.

La paralisi si verifica quando la comunicazione tra il cervello e il midollo spinale fallisce. Ciò può derivare da lesioni ai neuroni nel cervello (un ictus) o nel midollo spinale., Il trauma al midollo spinale colpisce solo le aree al di sotto del livello di lesione. Tuttavia, la poliomielite (un’infezione virale) o la malattia di Lou Gehrig (sclerosi laterale amiotrofica o SLA) possono influenzare i neuroni dell’intero midollo spinale.

I percorsi informativi

I neuroni specializzati trasportano messaggi dalla pelle, dai muscoli, dalle articolazioni e dagli organi interni al midollo spinale su dolore, temperatura, tatto, vibrazione e propriocezione. Questi messaggi vengono poi trasmessi al cervello lungo uno dei due percorsi: il tratto spinotalmico e la via lemniscale., Questi percorsi sono in luoghi diversi nel midollo spinale, quindi una lesione potrebbe non influenzarli nello stesso modo o nella stessa misura.

Ogni segmento del midollo spinale riceve input sensoriali da una particolare regione del corpo. Gli scienziati hanno mappato queste aree e determinato i campi “ricettivi” per ogni livello del midollo spinale. I campi vicini si sovrappongono l’un l’altro, quindi le linee sul diagramma sono approssimative.

Movimento volontario e involontario

Oltre un milione di assoni viaggiano attraverso il midollo spinale, compresi gli assoni più lunghi nel sistema nervoso centrale.,

I neuroni nella corteccia motoria, la regione del cervello che controlla il movimento volontario, inviano i loro assoni attraverso il tratto corticospinale per connettersi con i motoneuroni nel midollo spinale. I motoneuroni spinali proiettano dal cavo ai muscoli corretti attraverso la radice ventrale. Queste connessioni controllano i movimenti coscienti, come la scrittura e la corsa.

Le informazioni fluiscono anche nella direzione opposta con conseguente movimento involontario. I neuroni sensoriali forniscono un feedback al cervello attraverso la radice dorsale., Alcune di queste informazioni sensoriali vengono convogliate direttamente ai motoneuroni inferiori prima che raggiungano il cervello, causando movimenti involontari o riflessi. Le restanti informazioni sensoriali tornano alla corteccia.

Come il midollo spinale e i muscoli lavorano insieme

Il midollo spinale è diviso in cinque sezioni: le regioni cervicale, toracica, lombare, sacrale e coccigea. Il livello di lesione determina l’entità della paralisi e/o della perdita di sensibilità. Non ci sono due feriti uguali.,

Questo diagramma illustra le connessioni tra i principali gruppi muscolari scheletrici e ogni livello del midollo spinale. Un’organizzazione simile esiste per il controllo spinale degli organi interni.

Come il midollo spinale e gli organi interni lavorano insieme

Oltre al controllo del movimento volontario, il sistema nervoso centrale contiene le vie simpatiche e parasimpatiche che controllano la risposta “lotta o fuga” al pericolo e alla regolazione delle funzioni corporee., Questi includono il rilascio di ormoni, il movimento del cibo attraverso lo stomaco e l’intestino e le sensazioni da e il controllo muscolare a tutti gli organi interni.

Questo diagramma illustra questi percorsi e il livello del midollo spinale che si proietta su ciascun organo.

Cosa succede a seguito di una lesione del midollo spinale?

Una serie comune di eventi biologici si verificano in seguito alla lesione del midollo spinale:

1. Le cellule del sistema immunitario migrano verso il sito della lesione, causando ulteriori danni ad alcuni neuroni e la morte ad altri sopravvissuti al trauma iniziale.,
2. La morte degli oligodendrociti fa perdere agli assoni la loro mielinizzazione, che compromette notevolmente la conduzione del potenziale d’azione, dei messaggi o rende inutili le connessioni rimanenti. L’autostrada delle informazioni neuronali viene ulteriormente interrotta perché molti assoni vengono recisi, tagliando le linee di comunicazione tra il cervello e i muscoli e tra i sistemi sensoriali del corpo e il cervello.
3. Entro diverse settimane dalla lesione iniziale, l’area del danno tissutale è stata eliminata dalla microglia e una cavità piena di liquido circondata da una cicatrice gliale è stata lasciata indietro., Le molecole che inibiscono la ricrescita degli assoni recisi sono ora espresse in questo sito. La cavitazione è chiamata syrinx, che funge da barriera alla riconnessione dei due lati del midollo spinale danneggiato.

Sebbene la lesione del midollo spinale causi danni complessi, una quantità sorprendente del circuito di base per controllare il movimento e le informazioni di processo può rimanere intatta. Questo perché il midollo spinale è disposto in strati di circuiti. Molte delle connessioni e dei corpi cellulari neuronali che formano questo circuito sopra e sotto il sito di lesione sopravvivono al trauma., Una domanda importante per gli scienziati di ricerca è, quanto sanno questi neuroni sopravvissuti?”Possono rigenerarsi e creare nuove connessioni corrette?

Strategie di intervento

La ricerca indica una molteplicità di possibili interventi per favorire il recupero da una lesione spinale. Alcuni sarebbero consegnati immediatamente dopo l’infortunio; altri sono meno specifici del tempo e comportano la ricostruzione e la riconnessione del cavo ferito., Chiaramente, entrambi gli approcci sono importanti: limitare la degenerazione aumenterà la probabilità di un maggiore recupero, mentre stimolare la rigenerazione si baserà sul sistema rimanente per ripristinare la connettività persa e forse per prevenire ulteriori degenerazioni.

Di seguito sono riportate alcune delle strategie di intervento sostenute dal finanziamento della Christopher & Dana Reeve Foundation. Questo non è un elenco completo di tutti i possibili interventi.,

Trattamenti immediatamente dopo un incidente:

1. Limitare la degenerazione iniziale
   Recenti ricerche hanno dimostrato che ci sono almeno tre diversi meccanismi di morte cellulare in gioco nella perdita neuronale e oligodendrocitica dopo l’infortunio: necrosi, eccitotossicità e apoptosi.
2. Trattare l’infiammazione
   Subito dopo l’infortunio, il midollo spinale si gonfia e le proteine del sistema immunitario invadono la zona lesa. Questo gonfiore e infiammazione possono favorire danni secondari al cavo dopo la lesione iniziale., Quindi è importante trattare la risposta infiammatoria il più rapidamente possibile. I laboratori che perseguono questo approccio includono il laboratorio Schwab.

Trattamenti a lungo termine:

1. Stimolare la crescita assonale
   I fertilizzanti nervosi chiamati neurotropine possono promuovere la sopravvivenza cellulare bloccando l’apoptosi e stimolare la crescita assonale. Ogni neurotrofina ha una funzione cellulare bersaglio molto specifica. Alcuni prevengono selettivamente la morte cellulare degli oligodendrociti, altri promuovono la ricrescita degli assoni o la sopravvivenza dei neuroni e altri ancora servono a più funzioni., I laboratori che perseguono questo approccio includono il Laboratorio Nero e il Laboratorio Parada.
2. Promuovere una nuova crescita attraverso molecole di substrato o guida
   Le molecole di substrato e guida possono migliorare il targeting una volta che gli assoni sono stati incoraggiati a rigenerarsi oltre il sito della lesione. Queste proteine agiscono come tabelle di marcia, indirizzando gli assoni verso i loro obiettivi corretti. Questa è una funzione critica perché anche se gli assoni sopravvivono, devono riconnettersi con i bersagli corretti. I laboratori che perseguono questo approccio includono il Laboratorio Nero, il Laboratorio Mendell e il Laboratorio Parada.,
3. Bloccando le molecole che inibiscono la rigenerazione
   Ci sono molecole all’interno del cervello e del midollo spinale che impediscono ai neuroni di dividersi e agli assoni di crescere. Superare l’inibizione può stimolare la ricrescita assonale e la rigenerazione ed è probabile che sia una componente importante delle terapie rigenerative. Il laboratorio Schwab sta perseguendo questo approccio.
4. Fornire nuove cellule per sostituire quelle perse
   Le cellule staminali, che sono isolate dal SNC e possono dividersi per formare nuove cellule, possono sostituire i neuroni persi e gila., Queste cellule staminali devono essere raccolte, trattate per incoraggiare la crescita e quindi iniettate nel cordone ferito. I laboratori che perseguono tale approccio includono il Bunge Lab e il Gage Lab.
5. Costruire ponti per coprire la cavità della lesione
   I ponti possono essere necessari per ricollegare le sezioni recise del midollo spinale ferito. Gli scienziati devono determinare il modo migliore per costruire questi ponti e quali molecole utilizzare per incoraggiare una nuova crescita e migliorare la sopravvivenza di nuove connessioni. Il laboratorio Bunge sta perseguendo questo approccio.