La sensibilità cutanea condivide gli elementi principali di tutti i sensi fondamentali. Le proprietà del mondo esterno, come il colore, il suono o la vibrazione, sono ricevute da terminazioni di cellule nervose specializzate chiamate recettori sensoriali, che convertono i dati esterni in impulsi nervosi. Questi segnali vengono poi convogliati al sistema nervoso centrale, dove diventano la base per interpretare il mondo che ci circonda.
È utile riconoscere tre punti essenziali di questi processi. In primo luogo, l'energia ei cambiamenti nei livelli energetici possono essere percepiti solo da un organo di senso in grado di rilevare il tipo specifico di energia in questione. (Questo è il motivo per cui le microonde, i raggi X e la luce ultravioletta sono tutti pericolosi; non siamo attrezzati per rilevarli, quindi anche a livelli letali non vengono percepiti). sistema nervoso si limita a ricostruire un'immagine incompleta dai segnali veicolati dai suoi recettori sensoriali. In terzo luogo, i nostri sistemi sensoriali ci forniscono informazioni più accurate sui cambiamenti nel nostro ambiente che sulle condizioni statiche. Siamo ben dotati di recettori sensoriali sensibili alle luci tremolanti, per esempio, o alle minuscole fluttuazioni di temperatura provocate da una leggera brezza; siamo meno attrezzati per ricevere informazioni su una temperatura costante, diciamo, o una pressione costante sulla pelle.
Tradizionalmente i sensi cutanei si dividono in due categorie: cutanei e profondi. Mentre la sensibilità profonda si basa su recettori localizzati nei muscoli, nei tendini, nelle articolazioni e nel periostio (membrana che circonda le ossa), la sensibilità cutanea, di cui ci occupiamo qui, riguarda le informazioni ricevute dai recettori della pelle: in particolare, le varie classi di recettori cutanei che si trovano all'interno o vicino alla giunzione del derma e dell'epidermide.
Tutti i nervi sensoriali che collegano i recettori cutanei al sistema nervoso centrale hanno all'incirca la stessa struttura. Il grande corpo della cellula risiede in un gruppo di altri corpi di cellule nervose, chiamato ganglio, situato vicino al midollo spinale e collegato ad esso da uno stretto ramo del tronco della cellula, chiamato il suo assone. La maggior parte delle cellule nervose, o neuroni, che hanno origine nel midollo spinale inviano assoni alle ossa, ai muscoli, alle articolazioni o, in caso di sensibilità cutanea, alla pelle. Proprio come un filo isolato, ogni assone è ricoperto lungo il suo percorso e alle sue estremità da strati protettivi di cellule note come cellule di Schwann. Queste cellule di Schwann producono una sostanza nota come mielina, che riveste l'assone come una guaina. A intervalli lungo il percorso ci sono piccole interruzioni nella mielina, note come nodi di Ranvier. Infine, all'estremità dell'assone si trovano i componenti specializzati nel ricevere e ritrasmettere informazioni sull'ambiente esterno: i recettori sensoriali (Mountcastle 1974).
Le diverse classi di recettori cutanei, come tutti i recettori sensoriali, sono definite in due modi: dalle loro strutture anatomiche, e dal tipo di segnali elettrici che inviano lungo le loro fibre nervose. I recettori strutturati distintamente prendono solitamente il nome dai loro scopritori. Le relativamente poche classi di recettori sensoriali presenti nella pelle possono essere suddivise in tre categorie principali: meccanocettori, recettori termici e nocicettori.
Tutti questi recettori possono trasmettere informazioni su un particolare stimolo solo dopo averlo prima codificato in un tipo di linguaggio neurale elettrochimico. Questi codici neurali utilizzano frequenze e schemi variabili di impulsi nervosi che gli scienziati hanno appena iniziato a decifrare. In effetti, un'importante branca della ricerca neurofisiologica è dedicata interamente allo studio dei recettori sensoriali e dei modi in cui traducono gli stati energetici nell'ambiente in codici neurali. Una volta generati, i codici vengono convogliati centralmente lungo le fibre afferenti, le cellule nervose che servono i recettori trasmettendo i segnali al sistema nervoso centrale.
I messaggi prodotti dai recettori possono essere suddivisi in base alla risposta data ad uno stimolo continuo ed invariabile: i recettori ad adattamento lento inviano impulsi elettrochimici al sistema nervoso centrale per la durata di uno stimolo costante, mentre i recettori ad adattamento rapido riducono gradualmente le loro scariche in la presenza di uno stimolo costante fino a quando non raggiungono un livello basale basso o cessano del tutto, cessando quindi di informare il sistema nervoso centrale sulla continua presenza dello stimolo.
Le sensazioni nettamente diverse di dolore, calore, freddo, pressione e vibrazione sono quindi prodotte dall'attività in classi distinte di recettori sensoriali e delle loro fibre nervose associate. I termini "flutter" e "vibrazione", ad esempio, sono usati per distinguere due sensazioni vibratorie leggermente diverse codificate da due diverse classi di recettori sensibili alle vibrazioni (Mountcastle et al. 1967). Le tre importanti categorie di sensazioni dolorose note come dolore pungente, dolore urente e dolore doloroso sono state associate ciascuna a una classe distinta di fibre afferenti nocicettive. Questo non vuol dire, tuttavia, che una sensazione specifica coinvolga necessariamente solo una classe di recettori; più di una classe di recettori può contribuire a una data sensazione e, infatti, le sensazioni possono differire a seconda del contributo relativo delle diverse classi di recettori (Sinclair 1981).
La sintesi precedente si basa sull'ipotesi di specificità della funzione sensoriale cutanea, formulata per la prima volta da un medico tedesco di nome Von Frey nel 1906. Sebbene almeno altre due teorie di uguale o forse maggiore popolarità siano state proposte durante il secolo scorso, l'ipotesi di Von Frey ha ora è stata fortemente supportata da prove fattuali.
Recettori che rispondono alla pressione cutanea costante
Nella mano, fibre mielinizzate relativamente grandi (da 5 a 15 mm di diametro) emergono da una rete nervosa sottocutanea chiamata plesso nervoso sottopapillare e terminano in uno spruzzo di terminazioni nervose alla giunzione del derma e dell'epidermide (figura 1). Nella pelle pelosa, queste terminazioni nervose culminano in strutture superficiali visibili note come toccare le cupole; nella pelle glabra, o glabra, le terminazioni nervose si trovano alla base delle creste cutanee (come quelle che formano le impronte digitali). Lì, nella cupola tattile, ogni punta di fibra nervosa, o neurite, è racchiusa da una cellula epiteliale specializzata nota come cellula Merkel (vedi figure 2 e 3).
Figura 1. Un'illustrazione schematica di una sezione trasversale della pelle
Figura 2. La cupola tattile su ogni regione sollevata della pelle contiene da 30 a 70 cellule di Merkel.
Figura 3. A un ingrandimento maggiore disponibile con il microscopio elettronico, si vede la cellula di Merkel, una cellula epiteliale specializzata, attaccata alla membrana basale che separa l'epidermide dal derma.
Il complesso dei neuriti delle cellule di Merkel trasduce l'energia meccanica in impulsi nervosi. Sebbene si sappia poco sul ruolo della cellula o sul suo meccanismo di trasduzione, è stato identificato come un recettore ad adattamento lento. Ciò significa che la pressione su una cupola tattile contenente cellule di Merkel fa sì che i recettori producano impulsi nervosi per la durata dello stimolo. Questi impulsi aumentano di frequenza in proporzione all'intensità dello stimolo, informando così il cervello della durata e dell'entità della pressione sulla pelle.
Come la cellula di Merkel, anche un secondo recettore che si adatta lentamente serve la pelle segnalando l'entità e la durata delle pressioni cutanee costanti. Visibile solo attraverso un microscopio, questo recettore, noto come il Recettore di Ruffini, è costituito da un gruppo di neuriti emergenti da una fibra mielinizzata e incapsulati da cellule del tessuto connettivo. All'interno della struttura della capsula ci sono fibre che apparentemente trasmettono distorsioni cutanee locali ai neuriti, che a loro volta producono i messaggi inviati lungo l'autostrada neurale al sistema nervoso centrale. La pressione sulla pelle provoca una scarica prolungata degli impulsi nervosi; come con la cellula di Merkel, la frequenza degli impulsi nervosi è proporzionale all'intensità dello stimolo.
Nonostante le loro somiglianze, c'è una notevole differenza tra le cellule di Merkel e i recettori di Ruffini. Mentre la sensazione si verifica quando vengono stimolati i recettori di Ruffini, la stimolazione delle cupole tattili che ospitano le cellule di Merkel non produce alcuna sensazione cosciente; la cupola tattile è quindi un recettore misterioso, poiché il suo ruolo effettivo nella funzione neurale rimane sconosciuto. I recettori di Ruffini, quindi, sono ritenuti gli unici recettori in grado di fornire i segnali neurali necessari per l'esperienza sensoriale della pressione, o del tocco costante. Inoltre, è stato dimostrato che i recettori Ruffini che si adattano lentamente spiegano la capacità degli esseri umani di valutare la pressione cutanea su una scala di intensità.
Recettori che rispondono alle vibrazioni e al movimento della pelle
In contrasto con i meccanorecettori che si adattano lentamente, i recettori che si adattano rapidamente rimangono silenziosi durante l'indentazione della pelle sostenuta. Sono, tuttavia, adatti a segnalare vibrazioni e movimenti della pelle. Si notano due categorie generali: quelle nella pelle pelosa, che sono associate a singoli peli; e quelli che formano terminazioni corpuscolari nella pelle glabra o glabra.
Recettori che servono i capelli
Un capello tipico è avvolto da una rete di terminazioni nervose che si diramano da cinque a nove grandi assoni mielinizzati (figura 4). Nei primati, questi terminali rientrano in tre categorie: terminazioni lanceolate, terminali a forma di fuso e terminazioni papillari. Tutti e tre si stanno adattando rapidamente, in modo tale che una deflessione costante dei capelli provoca impulsi nervosi solo mentre si verifica il movimento. Pertanto, questi recettori sono squisitamente sensibili agli stimoli in movimento o vibratori, ma forniscono poche o nessuna informazione sulla pressione o sul tocco costante.
Figura 4. I fusti dei capelli sono una piattaforma per le terminazioni nervose che rilevano i movimenti.
Le terminazioni lanceolate derivano da una fibra fortemente mielinizzata che forma una rete attorno ai capelli. I neuriti terminali perdono la loro consueta copertura di cellule di Schwann e si fanno strada tra le cellule alla base dei capelli.
I terminali a forma di fuso sono formati da terminali di assoni circondati da cellule di Schwann. I terminali salgono fino al fusto inclinato dei capelli e terminano in un grappolo semicircolare appena sotto una ghiandola sebacea o produttrice di olio. Le terminazioni papillari differiscono dai terminali a forma di fuso perché invece di terminare sul fusto del capello, terminano come terminazioni nervose libere attorno all'orifizio del capello.
Ci sono, presumibilmente, differenze funzionali tra i tipi di recettori trovati sui capelli. Ciò può essere dedotto in parte dalle differenze strutturali nel modo in cui i nervi terminano sul fusto del capello e in parte dalle differenze nel diametro degli assoni, poiché assoni di diverso diametro si collegano a diverse regioni di collegamento centrali. Tuttavia, le funzioni dei recettori nella pelle pelosa rimangono un'area di studio.
Recettori nella pelle glabra
La correlazione della struttura anatomica di un recettore con i segnali neurali che genera è più pronunciata nei recettori grandi e facilmente manipolabili con terminazioni corpuscolari o incapsulate. Particolarmente conosciuti sono i corpuscoli pacininan e Meissner, che, come le terminazioni nervose nei peli discussi sopra, trasmettono sensazioni di vibrazione.
Il corpuscolo paciniano è abbastanza grande da poter essere visto ad occhio nudo, facilitando il collegamento del recettore con una specifica risposta neurale. Situato nel derma, di solito intorno ai tendini o alle articolazioni, è una struttura simile a una cipolla, che misura 0.5 × 1.0 mm. È servito da una delle fibre afferenti più grandi del corpo, con un diametro da 8 a 13 μm e una conduzione da 50 a 80 metri al secondo. La sua anatomia, ben studiata sia al microscopio ottico che elettronico, è ben nota.
Il componente principale del corpuscolo è un nucleo esterno formato da materiale cellulare che racchiude spazi pieni di liquido. Il nucleo esterno stesso è quindi circondato da una capsula che è penetrata da un canale centrale e da una rete capillare. Attraverso il canale passa una singola fibra nervosa mielinizzata di 7-11 mm di diametro, che diventa una lunga terminazione nervosa non mielinizzata che sonda in profondità nel centro del corpuscolo. L'assone terminale è ellittico, con processi ramificati.
Il corpuscolo paciniano è un recettore che si adatta rapidamente. Sottoposto a pressioni prolungate, produce quindi un impulso solo all'inizio e alla fine dello stimolo. Risponde alle vibrazioni ad alta frequenza (da 80 a 400 Hz) ed è più sensibile alle vibrazioni intorno a 250 Hz. Spesso questi recettori rispondono alle vibrazioni trasmesse lungo ossa e tendini e, a causa della loro estrema sensibilità, possono essere attivati anche da un soffio d'aria sulla mano (Martin 1985).
Oltre al corpuscolo paciniano, esiste un altro recettore a rapido adattamento nella pelle glabra. La maggior parte dei ricercatori crede che sia il corpuscolo di Meissner, situato nelle papille dermiche della pelle. Rispondente alle vibrazioni a bassa frequenza da 2 a 40 Hz, questo recettore è costituito dai rami terminali di una fibra nervosa mielinizzata di medie dimensioni avvolta in uno o più strati di quelle che sembrano essere cellule di Schwann modificate, chiamate cellule laminari. I neuriti e le cellule laminari del recettore possono connettersi a una cellula basale nell'epidermide (figura 5).
Figura 5. Il corpuscolo di Meissner è un recettore sensoriale debolmente incapsulato nelle papille dermiche della pelle glabra.
Se il corpuscolo di Meissner viene inattivato selettivamente dall'iniezione di un anestetico locale attraverso la pelle, si perde il senso di flutter o vibrazione a bassa frequenza. Ciò suggerisce che integra funzionalmente la capacità ad alta frequenza dei corpuscoli paciniani. Insieme, questi due recettori forniscono segnali neurali sufficienti a spiegare la sensibilità umana a una gamma completa di vibrazioni (Mountcastle et al. 1967).
Recettori cutanei associati a terminazioni nervose libere
Nel derma si trovano molte fibre mielinizzate e non mielinizzate ancora non identificabili. Un gran numero è solo di passaggio, diretto alla pelle, ai muscoli o al periostio, mentre altri (sia mielinizzati che non mielinizzati) sembrano finire nel derma. Con poche eccezioni, come il corpuscolo paciniano, la maggior parte delle fibre nel derma sembrano terminare in modi mal definiti o semplicemente come terminazioni nervose libere.
Sebbene siano necessari ulteriori studi anatomici per differenziare queste terminazioni mal definite, la ricerca fisiologica ha chiaramente dimostrato che queste fibre codificano una varietà di eventi ambientali. Ad esempio, le terminazioni nervose libere che si trovano alla giunzione tra il derma e l'epidermide sono responsabili della codifica degli stimoli ambientali che verranno interpretati come freddo, calore, caldo, dolore, prurito e solletico. Non si sa ancora quale di queste diverse classi di piccole fibre trasmetta particolari sensazioni.
L'apparente somiglianza anatomica di queste terminazioni nervose libere è probabilmente dovuta ai limiti delle nostre tecniche investigative, dal momento che le differenze strutturali tra le terminazioni nervose libere stanno lentamente venendo alla luce. Ad esempio, nella pelle glabra, sono state distinte due diverse modalità terminali delle terminazioni nervose libere: uno spesso e corto e uno lungo e sottile. Studi sulla pelle pelosa umana hanno dimostrato terminazioni nervose istochimicamente riconoscibili che terminano alla giunzione dermo-epidermica: le terminazioni penicillate e papillari. I primi derivano da fibre non mielinizzate e formano una rete di terminazioni; al contrario, questi ultimi originano dalle fibre mielinizzate e terminano intorno agli orifizi dei capelli, come accennato in precedenza. Presumibilmente, queste disparità strutturali corrispondono a differenze funzionali.
Sebbene non sia ancora possibile assegnare funzioni specifiche a singole entità strutturali, è chiaro da esperimenti fisiologici che esistono categorie funzionalmente diverse di terminazioni nervose libere. È stato scoperto che una piccola fibra mielinizzata risponde al freddo negli esseri umani. Un'altra fibra non mielinizzata che serve le terminazioni nervose libere risponde al calore. Non è noto come una classe di terminazioni nervose libere possa rispondere selettivamente a un calo di temperatura, mentre un aumento della temperatura cutanea può provocare un'altra classe a segnalare calore. Gli studi dimostrano che l'attivazione di una piccola fibra con un'estremità libera può essere responsabile di sensazioni di prurito o solletico, mentre si ritiene che esistano due classi di piccole fibre specificamente sensibili a stimoli meccanici nocivi e chimici o termici nocivi, che forniscono la base neurale per la puntura e dolore bruciante (Keele 1964).
La correlazione definitiva tra anatomia e risposta fisiologica attende lo sviluppo di tecniche più avanzate. Questo è uno dei maggiori ostacoli nella gestione di disturbi come la causalgia, la parestesia e l'iperpatia, che continuano a rappresentare un dilemma per il medico.
Lesione del nervo periferico
La funzione neurale può essere suddivisa in due categorie: sensoriale e motoria. La lesione del nervo periferico, solitamente derivante dallo schiacciamento o dalla recisione di un nervo, può compromettere una delle due funzioni o entrambe, a seconda del tipo di fibre nel nervo danneggiato. Alcuni aspetti della perdita motoria tendono ad essere fraintesi o trascurati, poiché questi segnali non vanno ai muscoli ma influenzano piuttosto il controllo vascolare autonomo, la regolazione della temperatura, la natura e lo spessore dell'epidermide e la condizione dei meccano-recettori cutanei. La perdita di innervazione motoria non sarà discussa qui, né la perdita di innervazione che interessa sensi diversi da quelli responsabili della sensazione cutanea.
La perdita di innervazione sensoriale della pelle crea una vulnerabilità a ulteriori lesioni, poiché lascia una superficie anestetica incapace di segnalare stimoli potenzialmente dannosi. Una volta ferite, le superfici cutanee anestetizzate guariscono lentamente, forse in parte a causa della mancanza di innervazione autonomica che normalmente regola fattori chiave come la regolazione della temperatura e la nutrizione cellulare.
In un periodo di diverse settimane, i recettori sensoriali cutanei denervati iniziano ad atrofizzarsi, un processo che è facile osservare nei grandi recettori incapsulati come i corpuscoli paciniani e di Meissner. Se può verificarsi la rigenerazione degli assoni, può seguire il recupero della funzione, ma la qualità della funzione recuperata dipenderà dalla natura della lesione originaria e dalla durata della denervazione (McKinnon e Dellon 1988).
Il recupero dopo una rottura del nervo è più rapido, molto più completo e più funzionale rispetto al recupero dopo che un nervo è stato reciso. Due fattori spiegano la prognosi favorevole per uno schiacciamento nervoso. In primo luogo, più assoni possono raggiungere nuovamente il contatto con la pelle che dopo una transezione; in secondo luogo, le connessioni vengono ricondotte al loro sito originale da cellule e rivestimenti di Schwann noti come membrane basali, che rimangono entrambe intatte in un nervo schiacciato, mentre dopo una transezione nervosa i nervi spesso viaggiano verso regioni errate della superficie cutanea seguendo il percorsi cellulari di Schwann errati. Quest'ultima situazione comporta l'invio di informazioni spaziali distorte alla corteccia somatosensoriale del cervello. In entrambi i casi, tuttavia, gli assoni rigeneranti sembrano in grado di ritrovare la stessa classe di recettori sensoriali che servivano in precedenza.
La reinnervazione di un recettore cutaneo è un processo graduale. Quando l'assone in crescita raggiunge la superficie della pelle, i campi recettivi sono più piccoli del normale, mentre la soglia è più alta. Questi punti ricettivi si espandono con il tempo e gradualmente si uniscono in campi più grandi. La sensibilità agli stimoli meccanici diventa maggiore e spesso si avvicina alla sensibilità dei normali recettori sensoriali di quella classe. Gli studi che utilizzano gli stimoli del tocco costante, del tocco in movimento e della vibrazione hanno dimostrato che le modalità sensoriali attribuite a diversi tipi di recettori ritornano nelle aree anestetiche a velocità diverse.
Osservata al microscopio, la pelle glabra denervata appare più sottile del normale, con creste epidermiche appiattite e meno strati di cellule. Ciò conferma che i nervi hanno un'influenza trofica, o nutrizionale, sulla pelle. Subito dopo il ritorno dell'innervazione, le creste dermiche si sviluppano meglio, l'epidermide diventa più spessa e si possono trovare assoni che penetrano nella membrana basale. Quando l'assone ritorna al corpuscolo di Meissner, il corpuscolo inizia ad aumentare di dimensioni e la struttura atrofica precedentemente appiattita ritorna alla sua forma originale. Se la denervazione è stata di lunga durata, può formarsi un nuovo corpuscolo adiacente allo scheletro atrofico originario, che rimane denervato (Dellon 1981).
Come si può vedere, la comprensione delle conseguenze della lesione del nervo periferico richiede la conoscenza della funzione normale così come i gradi di recupero funzionale. Sebbene queste informazioni siano disponibili per alcune cellule nervose, altre richiedono ulteriori indagini, lasciando una serie di aree oscure nella nostra comprensione del ruolo dei nervi cutanei nella salute e nella malattia.