Il segnale registrato da un tracciato elettroencefalografico (EEG) `e il prodotto dell’attivit`a elettrica di popolazioni di cellule nervose corticali adiacenti agli elettrodi di registrazione. Nei tracciati EEG sono generalmente visibili delle oscillazioni, spesso direttamente collegate a particolari funzioni cognitive, che avvengono a frequenze ben definite. Tali oscillazioni si instaurano perch´e un gran numero di cellule piramidali all’interno di queste popolazioni si sincronizza, generando cos`ı potenziali d’azione quasi sincroni (figura 4.5).
Figura 4.5: Oscillazioni sincrone in popolazioni di neuroni corticali. In alto `e mostrata l’attivit`a elettrica media che si registra nella corteccia visiva del gatto in risposta ad uno stimolo visivo in movimento a forma di barra. In basso `e mostrata la registrazione del potenziale di membrana effettuata simultaneamente da pi`u neuroni di questa regione cerebrale. In basso `e mostrato un ingrandimento di questi due tracciati: `e possibile notare una oscillazione della attivit`a elettrica media ad una frequenza di circa 40 Hz e, corrispondentemente un notevole livello di sincronizzazione dei potenziali d’azione generati dai singoli neuroni [34].
Generalmente si possono distinguere due diversi meccanismi attraverso i quali questa sincronia pu`o essere realizzata. Essa pu`o essere dovuta ad un input comune a tutta la popolazione, che proviene da un unico neurone (detto pace-maker), il quale pu`o trovarsi
4.2. INTERNEURONI INIBITORI E RITMI CEREBRALI 57
sia all’interno della popolazione (local pace-maker), che in un’area cerebrale lontana da essa (remote pace-maker); o pu`o essere dovuta ad una rete di interneuroni inibitori disposti all’interno della popolazione e dotati di una attivit`a elettrica altamente sincronizzata che, innervando le cellule piramidali, determinano un aumento del loro livello di coerenza (figura 4.6). La sincronizzazione all’interno della rete di interneuroni, a sua volta, non `e dovuta all’attivit`a di cellule pace-makers, ma `e una propriet`a che deriva dal tipo di input che questi neuroni ricevono e dalle propriet`a dell’accoppiamento esistente tra essi [37].
Figura 4.6: Meccanismi per la generazione di sincronia. Le cellule raffigurate con cerchi neri sono neuroni piramidali, quelle raffigurate con la stellina sono pace-makers (nel pannello a sinistra e in quello centrale) o interneuroni inibitori (nel pannello a destra). A sinistra `e mostrata la sincronizzazione dovuta ad un remote pace-maker; al centro la sincronizzazione si deve ad un local pace-maker; a destra la sincronizzazione `e dovuta ad una rete di interneuroni inibitori all’interno della popolazione di cellule piramidali. Le barrette verticali definiscono i livelli di sfasamento fra l’attivit`a elettrica dei neuroni piramidali e quella dei pace-makers (o degli interneuroni) [37].
Lo studio dei meccanismi che determinano l’emergenza di stati sincroni in una popolazione di interneuroni interagenti (anche composta da poche unit`a) `e estremamente complesso, sia sperimentalmente che teoricamente. Tali difficolt`a derivano essenzialmente dalle propriet`a non lineari di ogni singolo neurone e dalla complicata geometria delle connessioni sinap- tiche. Sperimentalmente si `e osservato che reti di interneuroni inibitori dell’ippocampo e della corteccia cerebrale, in risposta ad un opportuno protocollo di stimolazione, presentano fenomeni di sincronizzazione che danno luogo ad oscillazioni collettive con frequenze nella
banda 30 − 80 Hz (banda γ) [34, 35]. I risultati di diversi studi sperimentali hanno mostrato, come ovviamente ci si aspettava, che l’accoppiamento sinaptico tra interneuroni inibitori gio- ca un ruolo rilevante per la genesi dei fenomeni di sincronizzazione. Gli interneuroni inibitori sono in gran parte collegati tra loro attraverso connessioni inibitorie, spesso reciproche, e il grado di connessione sembra essere fortemente dipendente dal tipo di interneurone consid- erato. In particolare le cellule BC della corteccia cerebrale, le cui terminazioni innervano il dominio peri-somatico dei neuroni bersaglio, sembrano essere connesse pi`u estensivamente di altri tipi di cellule. Un’ipotesi avanzata [37] `e che classi distinte di interneuroni, in relazione al grado di mutua connettivit`a e alla regione di innervazione post-sinaptica, possono avere un ruolo differente, e probabilmente complementare, nella generazione dei ritmi γ.
Gli interneuroni che fanno parte di queste reti sono dotati di una frequenza massima di firing molto spesso maggiore di 80 Hz. Se per`o la rete viene stimolata da correnti eccitatorie, la frequenza di firing collettiva si assesta su valori compresi nella banda γ. Intuitivamente si comprende che tali valori di frequenza sono determinati essenzialmente dai tempi caratteris- tici dell’interazione sinaptica inibitoria tra le cellule. Infatti, quando una rete di interneuroni `
e stimolata con correnti depolarizzanti, ogni potenziale d’azione generato da una cellula de- termina un potenziale post-sinaptico inibitorio (IPSP) in pi`u neuroni bersaglio: se un numero sufficientemente elevato di interneuroni genera potenziali d’azione in una breve (∆t ≈ 1 − 2 ms) finestra temporale, una parte dei neuroni della rete verr`a raggiunta (quasi) simultanea- mente da pi`u IPSP; questi, essendo iperpolarizzanti, ostacolano la generazione di potenziali d’azione immediatamente successivi e causano una attivit`a elettrica a frequenze pi`u basse rispetto a quella caratteristica del singolo interneurone. La frequenza di oscillazione della rete, quindi, non dipender`a soltanto dal periodo intrinseco di refrattariet`a del neurone (in- dicato con τAHP), ma anche dal tempo caratteristico del potenziale post-sinaptico inibitorio
(indicato con τIP SP). Se τIP SP ≈ τAHP, la frequenza di oscillazione della rete non sar`a in-
fluenzata dall’inibizione sinaptica, ma se τIP SP >> τAHP, la frequenza di oscillazione sar`a
controllata quasi completamente da quest’ultima [37].
Il legame tra la frequenza delle oscillazioni generate da una rete di interneuroni e l’ampiez- za e il tempo caratteristico dell’IPSP, `e stato studiato con accuratezza da un punto di vista sperimentale. E’ stato mostrato che, con l’applicazione di benzodiazepina e bicucullina in opportuni preparati neurali, `e possibile produrre, rispettivamente, un aumento o una dimin- uzione dell’ampiezza degli IPSP. L’applicazione di benzodiazepina determina una dimin- uzione della frequenza di oscillazione della rete proporzionale alla concentrazione del farma- co, mentre l’applicazione di bicucullina genera l’effetto contrario. Somministrando, poi, dei farmaci anestetici come i barbiturici, `e possibile determinare un aumento controllato della durata dell’IPSP. Tale alterazione produce sempre una marcata diminuzione della frequen- za delle oscillazioni, arrivando anche, per τIP SP molto elevati, a sopprimere ogni attivit`a di
carattere oscillatorio [35]. Per quanto riguarda l’effetto della corrente di stimolazione, si `e vis- to che diminuendo l’ampiezza dello stimolo (dal valore ottimale per la generazione del ritmo γ), si produce sempre una diminuzione della frequenza di oscillazione della rete neurale, fino anche ad indurre la completa scomparsa delle oscillazioni (intorno a 15 Hz). Al contrario, un aumento della ampiezza della corrente di stimolazione produce un aumento della frequenza