L'ECCITABILITÀ NEURONALE E IL POTENZIALE DI AZIONE
IL POTENZIALE D'AZIONE:
LE CARATTERISTICHE DEL POTENZIALE D'AZIONE:
la trasmissione di un stimolo in forma di potenziale di membrana avviene tramite codici specifici per diversi stimoli. Il potenziale di azione viene detto POTENZIALE A PUNTA O SPIKE: come sappiamo si tratta di un artificio legato al sistema di registrazione di tale potenziale che si colloca a livello extracellulare.
IL POTENZIALE DI AZIONE è uno scambio rapidissimo di sodio potassio ai due lati della
DIVERSE DELTA V
lambda
DIVERSE RISPOSTE
membrana cellulare che viaggia lungo gli assoni come un'ONDA DI DEPOLARIZZAZIONE a velocità di 120m/s (320km/h circa).
IL POTENZIALE DI AZIONE NEGLI ALTRI ESSERI VIVENTI:
IN QUALSIASI ANIMALE lo scambio di ioni necessario alla trasmissione delle informazioni è identico: tutti gli esseri viventi si servono di questo tipo di trasmissione: Questo fattore fu molto utile e utilizzato nel corso degli studi di neurofisiologia: la maggior parte delle nostre conoscenze attuali riguardo al potenziale di membrana derivano dallo studio dell'assone gigante di calamaro.
Alla inserzione di un elettrodo nell'assone in questione:
REGISTRO UN POTENZIALE NEGATIVO, come accennato in precedenza, infatti, non esistono animali nel nostro pianeta che presentino POTENZIALE DI MEMBRANA POSITIVO, la eccitabilità è sempre la stessa. A seguito della inserzione dell'elettrodo si assiste ad un netto calo del potenziale registrato che si porta a -90mV.
STIMOLO LA CELLULA e noto che:
tra uno stimolo e la propagazione dello stesso si verifica una LATENZA detta INTERVALLO TRA STIMOLO E RISPOSTA.
A seguito della latenza e della partenza dello stimolo osservo che:
■ il potenziale di azione sale a +20mV.
■ A seguito di questa ascesa il potenziale cala improvvisamente a -90mV se non oltre.
La durata dello stimolo registrato è di circa 1ms.
Possiamo quindi capire che l'ASSONE POSSIEDE DELLE FORZE che CONSENTONO DI VARIARE IL POTENZIALE DI MEMBRANA per cui il potenziale di azione diviene POSITIVO, supera lo zero3.
LA LATENZA:
la latenza è il periodo che intercorre tra uno stimolo e la sua propagazione in forma di potenziale di azione, in linea generale diciamo che:
• maggiore è il periodo di latenza, meno eccitabile è il tessuto.
3 con la scoperta di tale fenomeno cadde l'ipotesi di bergstein secondo cui il sodio non oltrepassa le membrana: l'unico ione capace di dare un fenomeono di questo tipo è il SODIO.
• Minore è il periodo di latenza, maggiore è l'eccitabilità del tessuto. LE CONDUTTANZE:
Il potenziale di azione si propaga unicamente per una VARIAZIONE DELLA PERMEABILITÀ DELLA MEMBRANA AI DUE IONI SODIO E POTASSIO; in particolare:
• IN UN PRIMO MOMENTO assistiamo ad un INCREMENTO DELLA PERMEABILITÀ
PER LO IONE SODIO tale per cui:
◦ il sodio entra nella cellula.
◦ Il potenziale di azione si porta a livelli di +20mV.
• IN UN SECONDO MOMENTO assistiamo AD UN INCREMENTO DELLA
PERMEABILITÀ PER LO IONE POTASSIO tale per cui:
◦ il potassio esce dalla cellula in quanto l'ingresso del sodio ha incrementato il potenziale.
◦ Il potenziale scende nuovamente a valori negativi.
IL POTENZIALE DI AZIONE SAREBBE QUINDI IL RISULTATO DI UNA ATTIVAZIONE IN
SUCCESSIONE DELLE CONDUTTANZE IONICHE DEL SODIO E DEL POTASSIO4.
DURATA E VALORE:
un potenziale di azione normale presenta:
• una durata di circa 1ms.
• Una variazione di circa 100-120mV
UNA TALE VELOCITÀ è strettamente LEGATA AL FENOMENO DI ADATTAMENTO DEI RECETTORI NEURONALI: quando uno stimolo risulta troppo prolungato nel tempo, i recettori tendono a diminuire la loro eccitabilità, quindi LO STIMOLO DEVE ESSERE PROPAGATO IN MODO SUBITANEO in caso contrario L'ELEMENTO ECCITABILE SI ADATTEREBBE. Quindi la scelta di un meccanismo di questo tipo si basa sul fatto che:
la corrente elettrica è la più adatta a trasmettere un impulso.
le cellule sono molto polarizzate naturalmente, di conseguenza sono sensibili a questo tipo
di stimoli.
SPERIMENTALMENTE possiamo introdurre un piccolo elettrodo all'interno della membrana cellulare e tramite esso delle cariche ioniche:
cariche negative CHE IPERPOLARIZZANO LA MEMBRANA.
cariche positive CHE DEPOLARIZZANO LA MEMBRANA.
generando correnti di tipo catodico positive, PUÒ ORIGINARE UN NETTO SPIKE dovuto all'INGRESSO DI SODIO ALL'INTERNO DELLA MEMBRANA che porta il potenziale FINO A +30mV; TALE FENOMENO:
È INNESCATO DALLA DEPOLARIZAZIONE ARTIFICIALE DELLA MEMBRANA.
SI BASA SULL'INGRESSO DI SODIO.
LA SUA PROPAGAZIONE È INDIPENDENTE DALLA STIMOLAZIONE DIRETTA, SI
TRATTA QUINDI DI UN FENOMENO ATTIVO DA PARTE DELLA CELLULA.
QUANDO LA MEMBRANA ASSUME UN POTENZIALE DI QUESTO TIPO, +30mV, si SCATENA UN FENOMENO ATTIVO.
LA GENESI DEL POTENZIALE DI AZIONE:
sulla base di quanto visto precedentemente, possiamo dire che fondamentalmente: 4 Si possono verificare fenomeni di incremento contemporaneo della permeabilità per i due ioni.
le correnti elettrotoniche si formano per la stimolazione esterna al neurone, sia essa artificiale o naturale.
le correnti, sulla base delle caratteristiche della membrana che incontrano, possono
sommarsi TEMPORALMENTE e PROPAGARSI sulla membrana stessa.
Giunte ad un certo livello, QUESTE CORRENTI SONO IN GRADO DI GENERARE DEI
POTENZIALI INDIPENDENTI che NON SONO REVERSIBILI.
IL GRADIENTE AL SODIO DEVE ESSERE COSTANTE PER GENERARE QUESTO TIPO DI FENOMENI, così come QUELLO DEL POTASSIO:
variazioni ESTREME DEL SODIO A LIVELLO EXTRACELLULARE sono necessarie
per variare la eccitabilità neuronale vista la sua già elevata concentrazione (140meq/L).
variazioni ANCHE MINIME del POTASSIO sono invece molto pericolose e sufficienti a
variare in modo CONSIDEREVOLE L'ECCITABILITÀ DEL TESSUTO NERVOSO. SPIKE POSITIVO AL SODIO E AL CALCIO:
SONO DUE GLI IONI CHE POSSONO PROVOCARE UNO SPIKE POSITIVO:
IL SODIO che presenta spikes rapidi e repentini.
IL CALCIO che presenta spikes lenti e più modificanti, hanno un prolungamento di attività
legato al RUOLO DEL CALCIO COME SECONDO MESSAGGERO.
tanto più ci si avvicina al DENDRITE più aumentano i canali al CALCIO: questo è fondamentale per la attività della sinapsi e della SPINA DENDRITICA alla quale il calcio DA UNA MAGGIORE PLASTICITÀ.
CONDUTTANZA, RESISTENZA E PERMEABILITÀ SELETTIVA DELLA MEMBRANA: CONDUTTANZA e RESISTENZA: sono due concetti opposti:
C=1/R si esprime in mho o siemens.
R=1/C si esprime in ohm.
LA CONDUTTANZA per il sodio AUMENTA IN MODO CONSIDEREVOLE a seguito di un potenziale di azione, segue quindi un INCREMENTO DELLA PERMEABILITÀ AL POTASSIO.
ENTRA IL SODIO e la cellula diviene sempre meno negativa fino a raggiungere
l'overshoot.
LA NEGATIVITÀ INTERNA SI ANNULLA E IL POTENZIALE DIVIENE
ADDIRITTURA POSITIVO.
ESCE IL POTASSIO, carica positiva, CHE RIPORTA IL POTENZIALE AI SUOI
LIVELLI NORMALI.
l'onda generata dal sodio è depolarizzante, l'onda al potassio è ripolarizzante; la SUCCESSIONE DELLE CONDUTTANZE È FONDAMENTALE.
LA CONDUTTANZA AL POTASSIO:
L'IPERPOLARIZZAZIONE POSTUMA è una fase molto importante: il potassio esce seguendo, durante il processo di ripolarizzazione, il suo gradiente, ma ESCE IN QUANTITÀ MAGGIORE RISPETTO ALLO STRETTO NECESSARIO e L'INTERNO DELLA CELLULA DIVIENE MAGGIORMENTE NEGATIVO rispetto al potenziale di riposo, questo rende impossibile un ritorno del potenziale in quanto si genera un PERIODO REFRATTARIO che blocca qualsiasi forma di conduzione retrograda. Questo fenomeno è reso possibile dal fatto che la membrana permane permeabile al potassio anche a seguito della ripolarizzazione normale.
LA CONDUTTANZA AL SODIO:
Al contrario di quanto avviene per il potassio, LA CONDUTTANZA DEL SODIO viene INTERROTTA DOPO CIRCA MEZZO MILLISECONDO: l'inattivazione è legata al fatto che il canale al sodio è voltaggio dipendente, quindi:
il canale si apre per uno stimolo depolarizzante.
il canale raggiunti i +30mV si chiude.
il sodio smette di entrare nella cellula E IL POTENZIALE NON SALE MAI FINO AL
POTENZIALE DI EQUILIBRIO DEL SODIO che sarebbe +67mV.
LA GLIA È CAPACE DI CONTROLLARE LA IPERPOLARIZZAZIONE POSTUMA: si tratta di un ruolo fondamentale svolto da questa popolazione cellulare, ricordiamo infatti che:
se la iperopolarizzazione è LENTA allora il neurone è poco eccitabile.
Se la iperpolarizzazione è VELOCE allora il neurone è molto eccitabile.
La GLIA è capace quindi di agire sulla omeostasi del potassio incrementando o diminuendo la permeabilità della membrana.
È possibile sperimentalmente dimostrare la variazione delle permeabilità al sodio e al potassio tramite l'utilizzo di bloccanti selettivi dei canali ionici coinvolti:
• la TTX blocca il canale al sodio: SI HA SOLO LA CORRENTE AL POTASSIO CHE
IPERPOLARIZZA la MEMBRANA.
• la Tetraetilammonio o TEA blocca il canale potassio: PERMANE UNICAMENTE UNA
Potenziale d'azione. G potassio.
CORRENTE AL SODIO CHE DEPOLARIZZA la MEMBANA.
LA PROPAGAZIONE DEL POTENZIALE DI AZIONE:
Il POTENZIALE DI AZIONE si propaga per fenomeni di ELETTROTONO BIOLOGICO che si instaurano tra:
una zona positiva creata dall'arrivo dello stimolo.
le zone negative vicine.
LA MIELINIZZAZIONE DELLA FIBRA:
la struttura della fibra nervosa è essenziale per quanto riguarda la propagazione dell'impulso nervoso: le fibre sono spesso completamente mielinizzate e di conseguenza l'unico punto utile a garantire i fenomeni di membrana che sono essenziali alla propagazione dello stimolo sono I NODI DI RANVIER, cioè aree non mielinizzate dell'assone.
OLIGODENDROCITI E CELLULE DI SCWANN PRESENTANO STRUTTURALMENTE UNA LUNGHEZZA NON SUPERIORE AI 2mm a monte e a valle dei quali si colloca un NODO DI RANVIER. Complessivamente quindi:
si scatena lo stimolo che genera:
1. un CATODO esterno alla membrana. 2. Un ANODO interno alla membrana.
si forma un dipolo TRA DUE NODI DI RANVIER LIMITROFI tale per cui:
1. la carica positiva all'interno della membrana viene attratta dalla carica negativa del nodo successivo.
2. la corrente negativa esterna generata dallo stimolo, attrae la corrente positiva del nodo di ravier successivo.
SI GENERANO QUINDI DELLE CORRENTI ELETTRICHE che STIMOLANO L'ATTIVITÀ DEI CANALI A VALLE e LA PROPAGAZIONE DELLO STIMOLO e il potenziale di azione, quindi, si propaga in forma di un'ONDA STRUTTURATA IN MODO CHE:
LA TESTA è sodio dipendente.
LA CODA è potassio dipendente.
Tale onda viaggia ad una velocità tale che dopo un millisecondo può aver attraversato una lunghezza di circa 5cm.
LE DUE TEORIE SULLA PROPAGAZIONE DELLO STIMOLO:
non abbiamo certezza della origine del meccanismo di propagazione dell'impulso nervoso, ma sappiamo esistono due teorie in particolare:
IL CATODO O ANODO VIAGGIANTE come visto prima: l'elettrotono si ripete nel corso
dell'assone nei nodi di Ranvier; si tratta della teoria più accreditata al momento.
L'APERTURA DEI CANALI: secondo questa teoria l'arrivo di uno stimolo di natura
elettrica semplicemente INCREMENTEREBBE IN MODO IMPROVVISO E SUBITANEO LA PERMEABILITÀ DELLA MEMBRANA A TUTTI GLI IONI generando un flusso controllato unicamente dai gradienti ionici e di concentrazione.
Appare evidente come le due teorie potrebbero essere correlate tra loro: la genesi di un catodo genera una corrente depolarizzante, questa corrente porta ad una apertura generalizzata dei canali a seguito della quale, IN VIRTÙ DEL GRADIENTE IONICO E CHIMICO CHE LO CARATTERIZZA, ENTREREBBE SODIO NELLA CELLULA.
LA CONDUZIONE DELLO STIMOLO NERVOSO:
identifichiamo differenti tipologie di conduzione dello stimolo nervoso, in particolare possiamo individuare:
• CONDUZIONE ORTODROMICA: in fisiologia vale la legge della conduzione in AVANTI
che viene detta CONDUZIONE ORTODROMICA appunto. Secondo questa legge un assone conduce unicamente in una direzione.
• CONDUZIONE INDIFFERENTE: sperimentalmente è possibile stimolare l'assone
CENTRALMENTE osservare la genesi di DUE SPIKES, l'assone stimolato elettricamente infatti ha una conduzione di tipo INDIFFERENTE. Tale fenomeno in natura non si
verifica-• LA CONDUZIONE ANTIDROMICA: si tratta di uno stimolo che si scatena dalla periferia
K+ Na+ - -+ + -+ + Stimolo depolarizzante -Na+ Na+ -+ + -Na+ Na+ K+ K+
verso il soma neuronale. In natura uno stimolo di questo tipo non esiste ma risulta inducibile in laboratorio.