Fisiologia - sistema nervoso

I POTENZIALI GRADUATI E I POTENZIALI D’AZIONE

Tutte le cellule presentano una differenza di potenziale di membrana negativa (nel caso delle

cellule nervoso -70 mV). Le cellule nervose godono di due proprietà fondamentali: eccitabilità e

conduttività. Sono quindi dotate della capacità di generare e propagare segnali elettrici in risposta a

stimoli che possono essere esterni (ambientali) o interni.

I segnali elettrici sono prodotti in seguito a modificazioni transitorie della differenza di potenziale di

membrana a riposo. Possono essere distinti in due tipologie: potenziali graduati e potenziali

d’azione. Allo stato di riposo la cellula è detta “polarizzata”, poiché vi è una differenza di carica tra

l’esterno e l’interno della cellula. L’apertura e la chiusura dei canali ionici modificano la

permeabilità della membrana agli ioni, generando dei flussi netti di carica e determinando una

variazione della differenza di potenziale. L’apertura dei canali del sodio rende la differenza meno

negativa rispetto al livello di riposo: si parla di depolarizzazione. Quando vi è l’inversione della

polarità, cioè l’interno della cellula diventa positivo rispetto all’esterno, si parla di “overshoot”.

Quando la differenza di potenziale ritorna al livello di riposo si utilizza il termine ripolarizzazione.

Questa fase è determinata dall’uscita degli ioni potassio dall’interno della cellula. La membrana è

invece iperpolarizzata quando la differenza di potenziale diventa più negativa rispetto al livello di

riposo (azione per lo più generata dall’ingresso degli ioni cloro).

Il potenziale graduato è una modificazione della differenza di potenziale transmembrana, limitata a

una regione relativamente piccola della membrana plasmatica. È un fenomeno elettrotonico e si

propaga con decremento secondo la legge di Ohm: ΔV = RI, dove R indica la resistenza e I

l’intensità di corrente. Il flusso della carica diminuisce esponenzialmente con l’aumento della

distanza dalla sede d’origine del potenziale graduato. Un fenomeno elettrotonico decade al 37%

della sua massima ampiezza, dopo una distanza pari alla sua costante di spazio. Per questo motivo i

potenziali graduati sono utilizzabili solo su distanze molto brevi. La costante di spazio λ è uguale a

√r /r , dove r indica la resistenza di membrana e r la resistenza del citoplasma. I potenziali

m rin m in

graduati si possono sommare spazialmente e temporalmente. Nel punto di applicazione dello

stimolo la variazione della differenza di potenziale di membrana è di circa 4,5 mV.

Al contrario, i potenziali d’azione non si possono sommare in ampiezza, ma in frequenza. Il

potenziale d’azione si propaga senza decremento (non è un evento elettrotonico) e può essere

utilizzato per ricevere, analizzare e trasmettere informazioni a lunga distanza. Nasce quando uno

stimolo depolarizzante raggiunge il cono di emergenza del neurone a livello di soglia (solitamente

circa 15 mV meno negativo della differenza di potenziale transmembrana a riposo; nel caso di un

neurono – 55 mV). Se lo stimolo raggiunge il livello di soglia scatta un meccanismo di feedback

positivo: mentre la cellula si depolarizza, aumenta il numero di canali del sodio che si aprono: si

inverte la polarità della cellula. A circa + 20/35 mV si chiudono i cancelli di inattivazione dei canali

del sodio e aumenta la permeabilità dei canali del potassio che consentono l’inizio della

ripolarizzazione. I canali del potassio sono regolati da feedback negativo.

Il potenziale di azione risponde alla legge del tutto o nulla: se lo stimolo è in grado di

depolarizzare la cellula fino al valore di soglia il potenziale di azione parte; in caso contrario no.

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Questo determina l’impossibilità di sommare in ampiezza i potenziali di azione. Gli stimoli si

classificano in tre categorie:

- sottoliminari: non raggiungono il livello di soglia (dal latino “limen” = soglia)

- liminari: raggiungono il livello di soglia

- sopraliminari: superano il livello di soglia, ritardando gli effetti dell’adattamento.

I potenziali d’azione si possono sommare in frequenza: stimoli più intensi fanno raggiungere la

soglia in un tempo più breve, aumentando il numero di potenziali d’azione nell’unità di tempo.

Durante la fase di ripolarizzazione si assiste a un fenomeno chiamato refrattarietà, che limita la

possibilità di scarica dei potenziali d’azione. Quando i cancelli di inattivazione dei canali del sodio

sono chiusi non è possibile far partire un nuovo potenziale d’azione. Questa fase si chiama periodo

di refrattarietà assoluta. Successivamente le barriere dei canali del sodio tornano alla fase di

partenza, ma siccome i canali del potassio si chiudono più lentamente, il flusso di sodio in entrata è

bilanciato da quello di potassio in uscita ed è quindi necessario uno stimolo più intenso rispetto al

precedente per far partire un nuovo potenziale d’azione. Questa fase prende il nome di periodo

refrattario relativo.

Il potenziale d’azione, originato dal cono di emergenza, si propaga lungo tutto l’assone. La

propagazione è data dalla modificazione della permeabilità della membrana, che porta la cellula a

soglia. La conduzione avviene in senso ortodromico, cioè in direzione centrifuga rispetto al corpo

del neurone, poiché un’area che ha appena subito un potenziale d’azione è refrattaria e quindi

l’unica direzione di propagazione possibile è in allontanamento dall’area precedentemente attivata.

Nelle cellule muscolari scheletriche questo non avviene: i potenziali d’azione si propagano in

entrambe le direzioni poiché queste membrane eccitabili non sono refrattarie.

Se la conduzione del potenziale d’azione fosse sempre puntuale la velocità sarebbe troppo bassa per

svolgere diverse funzioni, come per esempio il riflesso di allontanamento da una fonte nociva.

Se paragoniamo la membrana a un condensatore, la velocità di conduzione dipende da due

parametri: la resistenza citoplasmatica e la capacità di membrana. La resistenza determina la

velocità con cui si verifica il flusso. La capacità è uguale a Q/V, dove Q indica la carica e V la

differenza di potenziale. La capacità indica quindi il numero di cariche che devono spostarsi per

depolarizzare la membrana. Il prodotto tra resistenza e capacità è uguale alla costante di tempo τ.

Maggiore è la costante di tempo, più lenta è la conduzione elettrotonica. La velocità di conduzione

aumenta al diminuire della costante di tempo τ e all’aumentare della costante di spazio λ. Maggiore

è il calibro della fibra, minore è la resistenza interna e maggiore è la velocità di conduzione.

Questa condizione non è sufficiente a rendere funzionale la capacità di membrana. La velocità di

conduzione è resa compatibile ai tempi di riflesso grazie alla presenza della mielina. Questa

sostanza, prodotta nel sistema nervoso centrale dagli oligodendrociti e nel periferico dalle cellule di

Schwann, è composta prevalentemente da lipidi e proteine e funge da isolante. Lo strato mielinico si

interrompe in corrispondenza dei nodi di Ranvier, dove vi è un’alta densità di canali del sodio

voltaggio-dipendenti e di pompe sodio/potassio. Questo tipo di conduzione si dice saltatoria,

poiché sembra che i potenziali d’azione saltino da un nodo all’altro.

La mielina ha tre funzioni fondamentali:

1) riduce la capacità di membrana (viene ridotta la quantità di carica da spostare), rendendo di

conseguenza minore la costante di tempo

2) aumenta la resistenza di membrana (viene persa una minore quantità di segnale), facendo

aumentare la costante di spazio.

3) gli assoni mielinici sono più efficienti dal punto di vista metabolico poiché le pompe

sodio/potassio sono concentrate maggiormente a livello dei nodi di Ranvier.

Le fibre nervose mieliniche si dividono nelle seguenti categorie: Aα, Aβ, e Aδ. Le fibre Aα

trasmettono segnali di tipo motorio, hanno diametro che varia da 12 ai 22 µm e la loro velocità di

conduzione è di 70-120 m/s. Le fibre Aβ hanno funzioni tattili, diametro di circa 5-13 µm e velocità

di conduzione intorno ai 30-70 m/s. Le fibre Aδ conducono stimoli riguardanti informazioni sul

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dolore e la temperatura, hanno diametro di circa 1-5 µm e velocità di conduzione di 12-30 m/s. Al

di sotto del diametro di 1 µm la presenza di mielina non offrirebbe vantaggi sostanziali.

Le fibre nervose amieliniche di tipo C trasmettono impulsi riguardanti il sistema nervoso autonomo,

hanno diametro di 0,2-1,2 µm e velocità di conduzione di 0,2-2 m/s.

La velocità di conduzione risulta diminuita (solitamente del 20%) in caso di rigenerazione del nervo

in seguito ad una lesione, poiché non è detto che i nodi di Ranvier si riformino esattamente nei punti

precedenti, dove la densità di canali del sodio era maggiore.

LE SINAPSI

La sinapsi è una giunzione fra due neuroni che permette il passaggio di attività elettrica da un

neurone presinaptico ad uno postsinaptico.

Le sinapsi possono distinguersi in elettriche e chimiche. Nelle sinapsi elettriche le due cellule sono

unite da giunzioni serrate. Questo permette una comunicazione estremamente rapida poiché i

potenziali d’azione passano direttamente da una cellula all’altra mediante canali di connessione.

Questa trasmissione veloce (il ritardo sinaptico è di circa 0,1 ms) viene utilizzata per attuare risposte

di attacco o di fuga o a livello della retina. Le sinapsi elettriche non hanno funzione integrativa.

Nelle sinapsi chimiche le due cellule nervose non hanno rapporti di continuità: la terminazione

presinaptica è separata dalla cellula postsinaptica da una zona chiamata fessura sinaptica. La fessura

sinaptica misura circa 450 angstrom (meno di un nodo di Ranvier) e ha funzione di cortocircuito,

riducendo la corrente di depolarizzazione di circa 1 µV. Nella terminazione assonale (bottone

sinaptico) sono presenti le vescicole sinaptiche, contenenti un neurotrasmettitore. È quindi

necessaria una trasduzione chimica del segnale. Il segnale passa da elettrico a chimico, per poi

ritornare elettrico.

Per spiegare il funzionamento di una sinapsi chimica si parla della giunzione neuromuscolare,

poiché è una sinapsi con rapporto 1 a 1. Il muscolo è un organo effettore e non ha funzione

integrativa: arriva un potenziale d’azione a livello presinaptico e parte un potenziale di azione a

livello postsinapt