Si definisce potenziale di membrana la differenza di potenziale presente a cavallo della membrana cellulare e misurabile ai capi di due elettrodi, uno posto all'interno della cellula neuronale ed uno posto nel liquido extracellulare circostante. Quando si parla di segnale neuronale ci si riferisce alla variazione temporale e spaziale del potenziale di membrana. Quando il neurone è a riposo, ossia non è in qualche modo eccitato dall'esterno, il potenziale di membrana assume un valore caratteristico denominato potenziale di riposo, tipicamente dell'ordine di -65 mV, ossia l'interno della cellula si trova ad un potenziale inferiore rispetto all'esterno.
I potenziali di azione (PdA) sono impulsi di tensione tipici generati durante la dinamica neuronale; essi hanno una forma pressoché stereotipata e non sono soggetti ad attenuazione o distorsione durante la propagazione lungo l'assone. In Fig 13 è riportata la forma tipica di un potenziale di azione. Si notino le seguenti caratteristiche:
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Fig. 13 Neurone e potenziale d‘azione
• Il potenziale d’azione ha una durata di circa 1-2 ms ed una ampiezza misurata fra il minimo ed il massimo di circa 100-120 mV.
• Nella prima fase del PdA il potenziale di membrana mostra una crescita veloce fino ad arrivare ad una fase denominata di depolarizzazione in cui risulta positivo; al termine di questa fase l'interno della cellula si trova quindi ad un potenziale superiore rispetto all'esterno.
• Nella fase di discesa, prima di ritornare al valore di riposo, il potenziale di membrana passa attraverso una fase denominata di iperpolarizzazione, tipicamente della durata di circa 10 ms (e quindi molto più lenta della depolarizzazione), in cui si trova ad un valore inferiore rispetto a quello di riposo. Il potenziale di azione, che una volta generato nel soma della cellula neuronale, viaggia lungo l'assone ed è trasmesso agli altri neuroni, costituisce l'unità elementare associata alla trasmissione dei segnali neuronali. Tipicamente, quindi, quando ci si riferisce al segnale emesso da un neurone si intende la sequenza temporale di questi potenziali di azione, detta anche treno di impulsi (si usa tipicamente il termine inglese
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Le sinapsi
In modo generico, si può definire la sinapsi come una zona di congiunzione tra elementi coinvolti dall’innervazione nervosa. Attraverso la sinapsi viene consentito in modo elettrico o chimico, ed eventualmente modulato, il passaggio del potenziale d’azione che porta l’informazione. Una sinapsi può sussistere ad esempio tra il dendrite di un neurone e l’assone di un altro neurone, oppure tra un assone e una cellula muscolare, o ancora tra un assone e una cellula di tessuto ghiandolare. Tra le caratteristiche comuni a tutte le sinapsi vi sono l’organizzazione in un sito presinaptico e uno postsinptico, e la caratteristica di essere o eccitatorie o inibitorie, nel senso che possono promuovere l’eccitamento della cellula a valle portandola a produrre PdA (o a contrarsi se si tratta di un muscolo), oppure promuovere l’inibizione e “spegnere” la cellula a valle che sta producendo PdA. Nel caso delle sinapsi elettriche la comunicazione è estremamente rapida in quanto il citoplasma delle cellule presinaptica e postsinaptica è in comunicazione mediante particolari dispositivi chiamati gap junctions, la cui apertura è sensibile a diversi fattori (voltaggio, [Ca2+], pH, ecc). La trasmissione avviene mediante passaggio diretto di correnti elettriche e, nel caso la giunzione coinvolga più cellule, consente di sincronizzare la stimolazione.
Nella sinapsi chimica invece l’elemento presinaptico e postsinaptico non sono a diretto contatto tra loro, ma separati da uno spazio intersinaptico di circa 200 Å. In questo caso l’arrivo di un PdA provoca una depolarizzazione che permette l’ingresso dello ione Ca2+ all’interno del sito presinaptico; qui il Ca2+ va a modulare un processo di esocitosi per cui un soggetto chimico contenuto in vescicole, detto neurotrasmettitore, viene rilasciato nello spazio intersinaptico, dove diffonde. Il neurotrasmettitore agisce su specifici recettori di membrana a livello del terminale postsinaptico. Questi sono canali a controllo di ligando che vengono aperti dal legame col neurotrasmettitore e innescano così una serie di flussi ionici depolarizzanti che porterà alla generazione di un nuovo PdA. Per essere più precisi va ricordato che il canale è una proteina con una sua conformazione dinamica, che risente dei cambiamenti di temperatura o ddp (differenza di potenziale) di membrana o di pH. Già la sola agitazione molecolare dovuta alla temperatura è sufficiente a far passare il canale da uno sta chiuso ad uno aperto, o viceversa; l’arrivo di un neurotrasmettitore influisce, a seconda della sua concentrazione, sulla velocità della reazione.
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Fig. 14 Sequenza di eventi che caratterizzano la trasmissione sinaptica chimica:
L’arrivo di un potenziale d’azione nella terminazione presinaptica determina l’apertura di canali Ca2+-
voltaggio dipendenti localizzati nelle zone attive. Di conseguenza la concentrazione di ioni Ca2+ aumenta
notevolmente determinando la fusione delle vescicole sinaptiche con la membrana plasmatica. Tale fusione fa sì che le vescicole liberino il loro contenuto nella fessura sinaptica mediante un processo detto di esocitosi. Il neurotrasmettitore così liberato diffonde nello spazio sinaptico e si lega a recettori specifici sulla membrana plasmatica. I recettori, a loro volta, determinano l’apertura o la chiusura di canali ionici che vanno variare il potenziale di membrana della cellula postsinaptica. La complessa sequenza di passaggi che la trasmissione sinaptica chimica comporta è causa del ritardo con cui compaiono i potenziali d’azione nella cellula postsinaptica.
Spesso l’innesco di un PdA richiede la sommazione spaziale e temporale del contributo di più sinapsi, in quanto deve essere raggiunta un soglia di depolarizzazione abbastanza alta da permettere l’apertura dei canali voltaggio dipendenti (principalmente quelli di Na+) .
Il tipo di risposta evocata al terminale postsinaptico in seguito al legame col neurotrasmettitore dipende principalmente dal tipo di recettore coinvolto. Le risposte rapide sono mediate direttamente da canali ionici, o più precisamente da recettori
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Se la membrana della cellula bersaglio iperpolarizza si ha un’ azione inibitoria e si parla di inhibitory post-synaptic potential (IPSP); se viceversa avviene una depolarizzazione si ha una risposta eccitatoria e si parla di excitatory post-synaptic
potential (EPSP).
Durante una stimolazione ripetitiva la sinapsi può modificare alcuni suoi parametri, come la probabilità di rilascio o la quantità di neurotrasmettitore rilasciato o, ancora, la conduttanza dei canali recettori; questi fenomeni vengono inquadrati nel contesto della plasticità sinaptica. La suddivisione dei diversi tipi di plasticità viene fatta in base alla loro durata: si ha plasticità a breve termine per tempi dell’ordine di secondi-ore, mentre plasticità a lungo termine per tempi dell’ordine di giorni-mesi. Nella prima categoria sono annoverate la facilitazione e la depressione, durante le quali la probabilità di rilascio del neurotrasmettitore è rispettivamente maggiore o minore della quantità “standard” per un determinato stimolo. Nella seconda categoria sono annoverati i fenomeni di potenziamento a lungo termine (LTP) e depressione a lungo termine (LTD), che coinvolgono cambiamenti permanenti (viene coinvolta l’espressione genica) della conduttanza dei canali e della probabilità di rilascio. Viene da se che a cambiamenti della quantità di neurotrasmettitore rilasciata seguono anche cambiamenti della corrente sinaptica. I fenomeni di plasticità sono considerati la base cellulare dei processi di apprendimento e memoria.
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