Fisiologia - Fisiologia delle sinapsi, neurofisiologia cellulare

Fisiologia delle sinapsi (neurofisiologia cellulare)

Il potenziale d’azione è un evento elettrico generato dall’attivazione di canali voltaggiodipendenti, che ha un’ampiezza piuttosto stereotipata.

Il potenziale d’azione può attivarsi solo se viene raggiunto un potenziale di soglia attraverso un segnale elettrico.

Cosa porta il neurone ad un livello sopra soglia?

Il neurone viene portato normalmente sopra soglia da dei segnali sinaptici, di sinapsi eccitatorie, che creeranno una depolarizzazione graduata (simile all’iniezione di una corrente ad opera di uno stimolatore).

Nella sinapsi, maggiore è il quantitativo di neurotrasmettitore rilasciato, maggiore sarà la depolarizzazione che creerà nel punto in cui la sinapsi prende contatto sul corpo cellulare o sul dendrite.

Potenziale postsinaptico, caratteristiche

Il segnale generato dalla sinapsi, il potenziale postsinaptico, è graduato, ovvero:

• Può assumere delle ampiezze variabili, in funzione del quantitativo di neurotrasmettitore rilasciato.
• Il segnale è inoltre decrementale, ovvero propagandosi nello spazio tende a ridurre la propria ampiezza fino a decadere esponenzialmente con l’aumentare dello spazio.

Il potenziale d’azione invece abbiamo detto che non è graduato, è tutto o nulla, e non è decrementale in quanto è in grado di propagarsi mantenendo inalterata la sua ampiezza (sia nella propagazione punto-punto che in quella saltatoria).

Lo scopo del potenziale sinaptico è quello di andare ad eccitare il neurone postsinaptico in modo che a livello della trigger zone si possa creare una depolarizzazione che faccia partire il potenziale d’azione.

Nel punto di attivazione del segnale sinaptico, il potenziale postsinaptico eccitatorio avrà una determinata ampiezza. Via via che ci avviciniamo all’assone questo potenziale postsinaptico diminuirà la sua ampiezza. Nella zona della trigger zone non è detto che questo potenziale sinaptico eccitatorio sia sopra soglia.

Se arriva quindi un segnale che non supera la soglia il trasferimento dell’informazione viene interrotto.

A questo problema devono far carico i neuroni del SNC che generano un potenziale sinaptico di moderata ampiezza.

• Quindi: potenziale graduato è un potenziale che diminuisce di intensità allontanandosi dall’origine.

Il soma di un neurone riceve un contatto sinaptico eccitatorio che genera un potenziale graduato eccitatorio. Se questo potenziale arriva alla trigger zone sopra al valore soglia allora si attiva e propaga lungo l’assone.

Se questo segnale non supera la soglia va incontro al decadimento nello spazio.

1

Sommazione temporale di segnali sinaptici: lavoro in cooperazione di più sinapsi affinché possa essere trasmesso l’impulso eccitatorio sopra a un valore soglia.

2

Polarizzazione morfologica del neurone

All’interno del neurone la zona formata da soma e dendriti rappresenta l’area di ricezione, l’area di input.

Il segnale viene trasmesso generando un output, una sinapsi chimica, col neurone postsinaptico successivo.

• Input Area riceve un segnale graduato, decrementale, di tipo sinaptico. Più neurotrasmettitore viene rilasciato più ampia è l’intensità del segnale.
• Le sinapsi possono essere asso-somatiche, che prendono rapporto col soma, o asso-dendritiche, che prendono rapporto col dendrite.
• Integration area è la Trigger zona, ovvero il punto in cui è più probabile che insorga il potenziale d’azione.
• Rapid transfer area (zona di trasferimento rapido) è l’assone, dove il potenziale può essere condotto in maniera punto a punto (fibre amieliniche) o saltatoria (fibre mieliniche).
• Output area è la zona della sinapsi dove si genera un segnale chimico dato dal rilascio di neurotrasmettitori.

La trasmissione del segnale all’interno dell’assone è detta digitale perché di fatto il potenziale d’azione non varia la sua ampiezza, è stereotipato. L’informazione da trasferire è quindi associata alla frequenza del potenziale d’azione.

Il segnale di tipo sinaptico è modulato. Il suo quantitativo di informazione è associato alla sua ampiezza e si dice che è di tipo analogico.

La sinapsi: sinapsi elettriche e chimiche

La trasmissione sinaptica è la capacità che hanno i neuroni di connettersi funzionalmente per trasferire il segnale elettrico. I neuroni possono formare due tipologie di sinapsi:

• Sinapsi di tipo elettrico, più semplici. Presenti soprattutto in alcuni organismi più semplici.
• Sinapsi di tipo chimico. Nell’uomo rappresentano la maggior parte delle sinapsi.

Spesso le sinapsi elettriche rimangono dove è necessaria una notevole velocità nella trasmissione dell’informazione o una sincronizzazione dell’attività di una molteplicità di unità cellulari.

Nella sinapsi elettrica esiste una notevole simmetria tra i due neuroni a contatto. La simmetria è legata al fatto che le membrane che costituiscono la sinapsi elettrica sono a stretto contatto tramite una giunzione comunicante. Nella giunzione le due membrane sono tenute in contatto tramite delle strutture proteiche che prendono il nome di connessoni, che di fatto sono dei grandi canali aspecifici, che fanno passare diverse specie ioniche come messaggeri cellulari (cMPC).

3

Nella sinapsi chimica invece esiste una notevole asimmetria tra i neuroni. Nella porzione presinaptica della sinapsi chimica sono infatti presenti delle vescicole di neurotrasmettitore. Nella membrana del neurone postsinaptico ritroviamo espressi i recettori canali per i neurotrasmettitori.

Sinapsi elettriche

Il contatto tra le due membrane avviene tramite il connessone, un canale costituito da sei subunità, di una membrana che dimerizza con il connessone posto sulla membrana opposta. Questo fa sì che si crei un vero e proprio poro canale che mette in comunicazione il citoplasma delle due cellule in comunicazione.

La sinapsi elettrica garantisce alcuni vantaggi rispetto alla chimica:

• È una sinapsi che permette un trasferimento dell’informazione elettrica rapido (poche decine di microsecondi).
• Un segnale elettrico generato dalla prima cellula si trasferisce alla seconda. Se la seconda cellula va incontro a una depolarizzazione, questa può trasferirsi alla prima cellula, in quanto i canali possono far muovere gli ioni in entrambe le direzioni. Quindi la trasmissione nella sinapsi elettrica è bidirezionale.

La sinapsi elettrica è spesso coinvolta in processi di “Escape reaction”, ovvero in riflessi di fuga di animali semplici che hanno dei riflessi basati sull’attivazione di circuiti nervosi che sfruttano le sinapsi elettriche.

Le sinapsi elettriche possono permettere una connessione sincrona (contemporanea) di una rete anche complessa di neuroni. Se vogliamo che tanti neuroni si attivino in contemporanea è più conveniente avere questi neuroni connessi tra di loro tramite gap junctions. Questo perché un potenziale d’azione che si genera in un neurone potrà rapidamente propagarsi al neurone adiacente, contiguo.

Queste sinapsi le troviamo nei networks neuronali ma anche nei networks delle cellule gliali, in particolare astrociti.

La sinapsi elettrica garantisce anche la capacità di permettere un flusso di piccoli metaboliti, di sostanze ioniche ad esempio, e quindi ha anche un ruolo nel metabolismo cellulare.

Un connessone ha una struttura esametrica formata da sei subunità proteiche uguali chiamate connessine.

I connessoni funzionano come canali passivi, che tipicamente stanno aperti. Tuttavia, possono esserci alcuni stimoli chimici che li portano alla chiusura, come l’acidificazione. Un aumento del calcio intracellulare in questo caso può riportarlo all’apertura.

Nel cuore ad esempio si ha la possibilità di trasferire l’eccitamento, il potenziale d’azione da miocita a miocita, attraverso particolari sinapsi elettriche che si chiamano dischi intercalari.

L’acidificazione nel muscolo cardiaco può avvenire per esempio a causa di un’ischemia, di un’ostruzione di un vaso coronarico, che causa l’accumulo di CO2 che sciolto in acqua diventa acido carbonico, che acidifica l’ambiente extracellulare.

4

L’acidificazione porta a una riduzione della conduttanza del connessone con conseguente riduzione della capacità della propagazione del segnale elettrico da un miocita all’altro.

• Efficienza di una sinapsi elettrica: capacità della sinapsi di trasferire un segnale che genera una depolarizzazione. La depolarizzazione non riesce a propagarsi “interamente” al neurone postsinaptico ma subisce un decremento, un decadimento tanto più intenso quanto è più alta la resistenza della sinapsi elettrica.
• Resistenza della sinapsi elettrica: una sinapsi elettrica che possiede un elevato numero di connessoni sarà una sinapsi che presenta una bassa resistenza, che assicura la propagazione della depolarizzazione con una ridotta perdita dell’ampiezza del segnale.

Una sinapsi elettrica caratterizzata da pochi connessoni avrà un’alta resistenza e sarà quindi poco efficiente, e quindi farà sì che il segnale che si propaga al neurone postsinaptico arrivi con un’ampiezza notevolmente decrementata.

Se un neurone è connesso tramite diverse sinapsi elettriche ad altri neuroni, tale neurone risulterà meno eccitabile. Questo perché la stessa depolarizzazione si propaga a diverse sinapsi elettriche e il segnale verrà disperso ad altri neuroni. Per questo motivo quando un neurone è connesso a diversi altri tramite gap junctions, risulterà meno eccitabile.

A livello teorico nelle sinapsi elettriche è possibile che si propaghi anche una iperpolarizzazione e non solo una depolarizzazione. Questo perché i connessoni sono canali aspecifici, attraverso i quali possono anche passare degli ioni cloro negativi. Gli ioni cloro tipicamente portano iperpolarizzazione che può propagare tramite sinapsi elettrica da un neurone a un altro.

Nel SNC dell’uomo le sinapsi elettriche non sono molto diffuse, ma sono presenti in particolari popolazioni neuronali, come in networks di interneuroni inibitori gabaergici, che hanno lo scopo di permettere una perfetta sincronizzazione dell’attività elettrica di questi interneuroni.

Sincronizzazione: correlazione tra l’attivazione del potenziale d’azione tra il primo neurone e il secondo neurone.

Nel SNC la forza sinaptica di una sinapsi è modesta. Spesso l’efficacia della sinapsi si raggiunge se più neuroni sono legati da sinapsi. Grazie a queste sinapsi elettriche è possibile che più neu