Intelligenza Artificiale, tesina

K⁺.

Potenziale d'azione

Potenziale d'azione

Propagazione del potenziale d'azione

Il meccanismo di propagazione si fonda sulla possibilità che il potenziale

d'azione, insorto in un punto qualsiasi della membrana, determini

l'eccitamento delle parti adiacenti della membrana stessa. Ciò avviene in

quanto nel punto stimolato, all'acme del potenziale d'azione, la superficie

esterna della membrana diviene negativa, mentre le aree contigue, ancora in

Le cariche positive vengono pertanto

riposo, sono positive. attratte verso quelle negative, dando

luogo a un flusso di cariche che, in

corrispondenza della zona attiva,

attraversano la membrana e penetrano

nella cellula. All'interno della cellula

subiscono una nuova attrazione elettrica

verso le cariche negative intracellulari

delle vicine zone inattive. Si genera in tal

modo un ristretto circuito locale, che

determina la depolarizzazione delle regioni

inattive della membrana che sono in

prossimità della zona attiva e l'insorgenza

di un nuovo potenziale d'azione. A seguito

della ripetizione della sequenza descritta,

La direzione di propagazione, benché teoricamente possa avvenire nelle due

si generano punto per punto potenziali di

direzioni, avviene solo verso valle del neurite, perché la zona a monte si trova

azione che si propagano per tutta la

nello stato refrattario e quindi non è eccitabile.

superficie della membrana.

Propagazione del potenziale d'azione

La Propagazione continua: è il tipo di propagazione del potenziale

d’azione che si verifica negli assoni non mielinizzati. In questo caso,

ciascun elemento adiacente di membrana plasmatica si depolarizza

fino al valore di soglia e genera un potenziale d’azione che

depolarizza il tratto successivo.

La Propagazione Saltatoria: avviene negli assono mielinizzati. I canali per NA+ e

K+ voltaggio-dipendenti si trovano prevalentemente nei nodi di Ranvier (le

“interruzioni” della guanina mielinica lungo gli assoni). Quando l’impulso si propaga

lungo un assone mielinizzato, la corrente salta la regione mielinica e va a

depolarizzare il nodo successivo. Ogni nodo si depolarizza e si ripolarizza nello

stesso intervallo di tempo, e in questo modo l’impulso risulta più veloce rispetto a

quello a propagazione continua. L’impulso sembra saltare da un nodo all’altro, via

via che ogni area nodale si depolarizza fino al valore soglia. E’ per tale motivo che

tale propagazione si dice saltatoria.

La trasmissione sinaptica

La prima distinzione

fondamentale è fra:

Sinapsi elettriche: flusso

passivo di corrente elettrica

fra un neurone e l’altro.

Sinapsi chimiche:

comunicazione possibile

grazie alla secrezione di

neurotrasmettitori.

elemento pre-sinaptico

Si definisce l’elemento cellulare a monte

della sinapsi e che riceve un segnale da trasmettere.

elemento post-sinaptico

Si definisce l’elemento cellulare a valle

della sinapsi che riceve l’informazione.

La trasmissione sinaptica

Sinapsi chimiche

Nelle sinapsi chimiche l’elemento pre- e post-sinaptico sono separati fra loro da

uno spazio di circa 50nm detto spazio sinaptico (synaptic cleft). Da un punto di

vista microscopico le sinapsi chimiche sono caratterizzate da vescicole sinaptiche

nella terminazione pre-sinaptica. Queste vescicole contengono il trasmettitore

chimico diverso a seconda della sinapsi considerata.

La sinapsi chimica più studiata è la giunzione neuro-muscolare.

La trasmissione sinaptica in una sinapsi chimica segue una complessa catena di

eventi che si innesca quando un potenziale d’azione invade la terminazione del

neurone pre-sinaptico.  Il potenziale d’azione causa una

variazione del potenziale della

membrana pre-sinaptica in senso

depolarizzante determinando

l’apertura di canali del calcio

dipendenti dal potenziale .

 Questo, a seguito del fortissimo

gradiente chimico esistente

determina un rapido influsso di ioni

Ca2+ all’interno del terminale pre-

sinaptico.

 L’aumento del calcio innesca

esocitosi delle vescicole contenenti il

neurotrasmettitore

La trasmissione sinaptica

Sinapsi elettriche

Sono in minoranza rispetto alle sinapsi chimiche, ma presenti specialmente dove

sia necessario sincronizzare l’attività di un gruppo di cellule in maniera rapida ed

efficiente. Le due membrane sono molto vicine fra loro unite da una giunzione

comunicante (gap junction). Queste strutture sono costituite da canali

esattamente allineati fra loro sulle due membrane (pre- e post-sinaptica) che

formano un poro di diametro molto maggiore del poro dei canali ionici visti per il

potenziale d’azione.

Questi pori consentono il passaggio anche di molecole di relative grosse

dimensioni come ATP e alcuni secondi messaggeri. Gli ioni fluiscono dal neurone

pre-sinaptico al neurone post-sinaptico veicolando corrente.

Una sinapsi elettrica:

 È bidirezionale : il flusso ionico può

avvenire nelle due direzioni

 Non mostra ritardo sinaptico : è un

flusso ionico estremamente veloce

 Mostra continuità citoplasmatica

fra i due elementi

 Distanza fra elemento pre- e post-

sinaptico di 3.5nm contro i 30-50 nm

della sinapsi chimica.

La gap junction è formata da una struttura

detta connessone costituita da 6 sub-unità

connessin

dette e che delimitano un poro

attraverso cui passano gli ioni.

Sommazione dei potenziali sinaptici

Ogni neurone riceve in input il segnale proveniente da decine a migliaia di

sinapsi.

La cellula post-sinaptica è in grado di integrare tutti questi segnali grazie a

fenomeni che vanno sotto il nome di sommazione spaziale e sommazione

temporale.

Sommazione spaziale: è la somma dell’effetto di input sinaptici multipli in

punti diversi del soma e dei dendriti della cellula. Due stimoli eccitatori sotto-

soglia possono, se sommati, dare una depolarizzazione che arriva a soglia.

Sommazione temporale: è l’accumulo di depolarizzazioni successive dovute

all’attività ripetitiva. Ciascun potenziale si somma al precedente sulla fase di

discesa.

Tomografia a Emissione di Positroni (PET)

La Tomografia ad Emissione di Positroni è un tecnica

d’indagine che oltre essere utilizzata in campo medico per

diagnosticare anomalie presenti nell’organismo, viene anche

utilizzata per studiare e approfondire la conoscenza del

comportamento funzionale del cervello.

La PET fornisce preziose informazioni su quali parti del cervello si

attivano e quindi, essendo più ossigenate, metabolizzano più

zucchero marcato con il fluoro radioattivo che emette Positroni.

Quando si esegue un

particolare lavoro mentale,

come parlare, scrivere,

leggere, ascoltare, si

osserva una maggiore

attività in alcune zone

piuttosto che in altre e i

diversi colori delle immagini

rispecchiano queste

differenze.

Tomografia a Emissione di Positroni (PET)

Una volta iniettato nel corpo, solitamente per via endovenosa, l’isotopo (come

detto nei lucidi successivi dedicati ai principi fisici) ben presto decade

emettendo il positrone che, dopo un percorso nel tessuto biologico che al

massimo può raggiungere pochi millimetri, si combina con un elettrone con

conseguente annichilazione reciproca e produzione di due fotoni di eguale

energia pari a 511 KeV. I due fotoni così prodotti viaggiano in direzioni quasi

diametralmente opposte, attraversano il tessuto circostante e vengono

registrati da un anello di rivelatori che circonda il soggetto in esame.

Il raggiungimento dei cristalli dello scintillatore si

traduce in un lampo di luce rilevato da tubi

fotomoltiplicatori.

I due fotoni prodotti da ogni singolo evento di

annichilazione vengono emessi simultaneamente

e si propagano in direzioni quasi esattamente

opposte consentendo, in tal modo, la

localizzazione precisa nel corpo della sorgente di

emissione per mezzo di coppie di rivelatori posti

a 180° di distanza uno dall’altro.

“Evento di Coincidenza”: i rivelatori, detti di

coincidenza, registrano il segnale di emissione

solo se colpiti contemporaneamente (entro la

cosiddetta finestra temporale di coincidenza,

intervallo di tempo compreso fra i 4 e i 10 ns) dai

fotoni.

Tomografia a Emissione di Positroni (PET)

Dalla misurazione della posizione in cui i fotoni colpiscono il rilevatore, si può

ricostruire l'ipotetica posizione del corpo da cui sono stati emessi, permettendo la

determinazione dell'attività o dell'utilizzo chimico all'interno delle parti del corpo

investigate.

Lo scanner utilizza la rilevazione delle coppie di fotoni per mappare la densità

dell'isotopo nel corpo, sotto forma di immagini di sezioni (generalmente trasverse)

separate fra loro di 5 mm circa. La mappa risultante rappresenta i tessuti in cui la

molecola campione si è maggiormente concentrata.

PET cerebrale con FDG. A sinistra sezione

assiale medio-talamica in un soggetto

normale; a destra paziente con demenza

dove si apprezza deficit di attività

metabolica temporale bilaterale, insulare

e frontale sinistra.

La PET fornisce preziose informazioni su quali parti del cervello si attivano

e quindi, essendo più ossigenate, metabolizzano più zucchero marcato con

il fluoro radioattivo che emette Positroni.

Tomografia a Emissione di Positroni (PET): Principi

Fisici di funzionamento

Nucleo atomico

I nuclei sono costituiti da protoni e neutroni detti

nell'insieme nucleoni. Sono particelle che si assomigliano

molto, ma si differenziano per la quantità di carica

posseduta :

• neutrone è elettricamente neutro (q = 0),

• il protone ha una carica positiva (q+ = +1.602

x1019C = +1).

Il numero di protoni presenti in un nucleo è detto numero

atomico (Z). Normalmente gli atomi sono neutri e questo si

deve al pari numero, Z appunto, di protoni ed elettroni (q- =

Nel nucleo è concentrata quasi tutta la massa

-1.602 x 1019C = -1) che li compongono.

dell'atomo.

Infatti, neutroni (m = 1.675x10 Kg) e protoni (m =

-27

1.673x10 Kg) hanno masse molto più grandi (circa 1800

-27

volte) di quella degli elettroni (m = 9.109x10 Kg).

-31

Se si trascura la piccolissima differenza esistente tra le masse

del protone e del neutrone, si può concludere che la massa di

un nucleo vale Z + N volte la massa del protone.

La quantità Z + N s'indica con la lettera A ed è

chiamata numero di massa.

Tomografia a Emissione di Positroni (PET): Principi

Fisici di funzionamento