Riassunto esame Neurofisiologia, prof. Cuppini

Cellule nervose

Nel sistema nervoso sono presenti due classi di cellule: cellule nervose (neuroni) e cellule gliali (glia, dal greco "colla").

Cellule gliali

Le cellule gliali sono gli elementi di sostegno del sistema nervoso. Esse circondano i corpi cellulari, gli assoni e i dendriti dei neuroni. Attualmente, la glia non sembra prendere parte all'elaborazione delle informazioni, ma si ritiene che svolga altre sette funzioni vitali:

• Elementi di sostegno dei neuroni, dando forma e struttura al tessuto nervoso.
• Due tipi di cellule gliali, oligodendrociti e cellule di Schwann, danno origine alla mielina, la guaina isolante che ricopre gli assoni delle cellule nervose.
• Funzione fagocitaria, rimuovendo frammenti cellulari formati in seguito a lesione o morte delle cellule nervose.
• Manutenzione, assicurando maggiore efficienza ai meccanismi di trasmissione dei segnali nervosi (es. captano i neurotrasmettitori liberati durante la trasmissione sinaptica).
• Guidano la migrazione e la crescita dei neuroni durante lo sviluppo del sistema nervoso (glia radiale).
• Partecipano alla regolazione delle proprietà delle terminazioni pre-sinaptiche, come ad esempio le cellule gliali a livello della giunzione neuromuscolare dei vertebrati.
• Formano la barriera ematoencefalica, con alcune cellule gliali (astrociti) che creano una barriera impenetrabile attorno ai capillari e venule cerebrali, impedendo a sostanze tossiche nel sangue di penetrare nel tessuto cerebrale.

Le cellule gliali dei vertebrati si suddividono in:

• Microglia: costituite da elementi fagocitari che si mobilitano in seguito a lesioni, infezioni, ecc. Esse derivano dai macrofagi, al di fuori del sistema nervoso. Non si conosce molto sulla loro attività in condizioni di riposo, ma è noto che gli elementi che le compongono si attivano durante infezioni, lesioni e attacchi convulsivi. Una volta attivate, queste cellule presentano un prolungamento più robusto e ramificato rispetto a quello delle cellule inattive.
• Macroglia: le cellule della macroglia sono piccole e svolgono la funzione di isolare gli assoni, formando attorno ad essi, con i loro processi membranosi, una guaina di mielina che li circonda concentricamente. Gli oligodendrociti si trovano nel sistema nervoso centrale e si avvolgono attorno a numerosi tratti internodali, mentre le cellule di Schwann del sistema nervoso periferico circondano un singolo tratto internodale. Inoltre, la composizione chimica della mielina prodotta da queste cellule è diversa.
• Astrociti: più numerosi tra le cellule gliali, i corpi cellulari hanno forma irregolare o vagamente stellata. Sono dotati di lunghi processi chiamati pedicelli, alcuni dei quali entrano in contatto con la superficie delle cellule nervose nel cervello e nel midollo spinale, svolgendo probabilmente una funzione nutritiva. Altri processi contattano i vasi sanguigni cerebrali, inducendo la formazione di giunzioni strette tra le cellule endoteliali, contribuendo alla formazione di una barriera emato-encefalica protettiva. Un'altra funzione degli astrociti è quella di regolare la concentrazione di potassio (K⁺) negli spazi intercellulari che separano i neuroni. La depolarizzazione provoca la fuoriuscita di K⁺, e una scarica di potenziali d’azione a frequenza elevata può determinare un aumento della concentrazione di K⁺ in grado di interferire con le proprietà di scarica dei neuroni vicini. In questi casi, gli astrociti possono assumere l’eccesso di K⁺, grazie alla loro alta permeabilità a questo ione, proteggendo i neuroni circostanti. Inoltre, sono in grado di captare i neurotrasmettitori liberati, contribuendo così a regolare l'attività. Tuttavia, la funzione principale degli astrociti è quella di sostegno. Non vi sono prove che siano responsabili dell'invio di segnali elettrici, ciò è un'esclusiva dei neuroni.

Genesi e conduzione del potenziale d'azione (PA)

Cos'è il potenziale d'azione?

Il potenziale d'azione è una variazione rapida del potenziale di membrana, cui segue un ritorno al potenziale di riposo. Le sue caratteristiche sono:

• I potenziali d'azione insorgono a livello del segmento iniziale dell'assone.
• Il potenziale d'azione costituisce l'elemento base con il quale le cellule nervose inviano informazioni.
• I responsabili del potenziale d'azione sono i canali ionici voltaggio-dipendenti, situati sulla membrana plasmatica.
• Le informazioni che le cellule trasmettono sono determinate dalle caratteristiche del potenziale d'azione.
• Il potenziale d'azione si propaga lungo l'assone conservando la sua forma e ampiezza.

Prima di generare un potenziale d'azione, le membrane presentano un certo valore di voltaggio a riposo denominato potenziale di membrana.

Potenziale di riposo

Tutte le cellule, inclusi i neuroni, presentano un potenziale di riposo (differenza di potenziale tra interno ed esterno della cellula) di circa -70mV, con l’interno della cellula che presenta una concentrazione maggiore di cariche negative rispetto all’esterno, dove c’è una maggioranza di cariche positive.

Depolarizzazione e iperpolarizzazione

Depolarizzazione: si intende l'iniezione di cariche positive nell’ambiente intracellulare, determinando un ambiente intracellulare “più positivo” con il potenziale di membrana che tende a diminuire (es. da -70 a -60).

Iperpolarizzazione: si intende l’iniezione di cariche negative nell’ambiente intracellulare, determinando un ambiente “ancor più negativo” con il potenziale di membrana che tende ad aumentare (es. da -70 a -80).

Composizione ionica durante il potenziale di membrana di riposo

All’interno della cellula, il potenziale di membrana a riposo è determinato dalla differente concentrazione di cariche ioniche tra interno ed esterno della cellula:

• Interno: alta concentrazione di K⁺ e bassa di Na⁺.
• Esterno: alta concentrazione di Na⁺ e bassa di K⁺.

Tale concentrazione è garantita dalla presenza della pompa Na⁺-K⁺ che agisce controgradiente portando dentro 2K⁺ ogni 3 Na⁺ portati fuori, utilizzando 1 ATP.

Nonostante il K⁺ sia un catione, l’interno della cellula risulta negativo, poiché la membrana cellulare è dotata di canali K⁺ che in condizioni di riposo risultano aperti, permettendo il passaggio di K⁺ dall’interno all’esterno (secondo gradiente), con la conseguenza che internamente avremo una maggioranza di cariche negative (-70mV).

Variazioni del potenziale di membrana a seconda degli impulsi elettrici

Per generare un potenziale d'azione è importante che le cellule raggiungano una specifica soglia di depolarizzazione. Il raggiungimento di tale soglia dipende dall'intensità dell'impulso di corrente: più corrente passa attraverso la membrana, più ampie saranno le variazioni del potenziale di membrana.

Risposte elettriche

1. Risposta passiva: cosa succede se l’impulso di corrente applicato è di molto inferiore alla soglia? Le fasi di ascesa e discesa della risposta di voltaggio della membrana hanno un andamento esponenziale. Tale andamento è determinato dal tempo necessario per permettere l’entrata delle cariche attraverso la membrana, in quanto in questa fase ci sono a disposizione pochi canali ionici che permettono il passaggio di cariche dall’esterno all’interno o viceversa. Inoltre, si è osservato che la variazione dei livelli di potenziale di membrana nella risposta passiva varia a seconda della distanza: all'allontanarsi dal punto in cui passa la corrente, si ha una riduzione dei livelli di potenziale di membrana. Questo mostra come una risposta elettrica passiva sia capace di propagarsi solo per pochi millimetri prima di esaurirsi completamente.
2. Risposta sottosoglia: cosa succede se l’impulso di corrente applicato è di poco inferiore alla soglia? Le fasi di discesa della risposta di voltaggio della membrana non decadono più in maniera esponenziale. Tale andamento viene modificato, poiché l’intensità maggiore dell’impulso di corrente ha provocato la modifica del potenziale di membrana in misura sufficiente da provocare l’apertura di un numero significativo di canali Na⁺ voltaggio-dipendenti. Di conseguenza, il Na⁺, presente in concentrazioni notevolmente maggiori all’esterno rispetto all’interno, entra nella cellula spinto dal gradiente elettrochimico, provocando un interno “più positivo” (depolarizzazione). Anche questa risposta non è autorigenerante e come la risposta passiva, il potenziale non si propaga lungo l’assone, ma diminuisce con l’aumentare della distanza.
3. Risposta soprasoglia  Potenziale d'azione: risposte a livelli di potenziale sempre maggiore si hanno via via che gli impulsi vengono applicati con valori vicino alla soglia. Quando il potenziale di membrana raggiunge la soglia, si attua una risposta di voltaggio della membrana definita come potenziale d'azione. È una risposta nella quale si ha una depolarizzazione completa della membrana in tempi molto rapidi (1-2ms), fino ad invertire la polarità nell’ambiente intracellulare che da negativo diventa positivo. Il picco del potenziale d'azione può arrivare fino a +50mV, per poi ritornare verso il potenziale di membrana di riposo con una velocità altrettanto elevata. Prima di stabilizzarsi al livello potenziale di riposo, si osserva un’ulteriore polarizzazione (iperpolarizzazione) di ampiezza variabile, denominata iperpolarizzazione postuma, la cui durata può variare da pochi millisecondi a circa 100ms.

Differenza tra potenziale d'azione e risposta sottosoglia-passiva

Si differenziano per tre importanti caratteristiche:

• Risposta molto più ampia (fino a +50mV), con inversione della polarità della membrana (interno positivo – esterno negativo).
• Si propaga per tutta la lunghezza della fibra nervosa, senza decremento, in quanto viene rigenerato lungo l’assone. Quindi, per tutta la lunghezza della fibra nervosa, il potenziale d'azione mantiene la sua forma e ampiezza.
• Se l’impulso raggiunge la soglia, indipendentemente dal livello dell’impulso, il potenziale d'azione è sempre lo stesso, vale a dire che non aumenta o diminuisce con l’aumentare o diminuire dell’intensità dell’impulso, a patto che l’impulso sia sopra soglia. Il potenziale d'azione è un evento definito come "tutto o nulla", cioè o lo stimolo è capace di superare la soglia e quindi generare il potenziale d'azione, altrimenti non succede niente.

Variazioni della composizione ionica

Le variazioni di potenziale osservabili in seguito a un impulso elettrico sono determinate dall’attivazione di due canali ionici voltaggio-dipendenti (canale Na⁺ e canale K⁺), che modificano la composizione ionica.

• Canale Na⁺ voltaggio-dipendente: costituito da un’unica sub unità α associata a una subunità β1 e a una sub unità β2. La subunità α è costituita da quattro sequenze ripetute di sei eliche che attraversano la membrana da parte a parte e che sono disposte attorno a un canale ionico centrale, le cui pareti sono costituite dalle eliche di ciascuna sequenza di sub unità α.
• Canale K⁺ voltaggio-dipendente: costituito da quattro subunità identiche, ciascuna delle quali è formata da un’unica sequenza di sei eliche.

Entrambi questi canali sono voltaggio-dipendenti, cioè le barriere dei canali, che permettono l’apertura o chiusura del canale, risentono di variazioni del voltaggio, aprendosi o chiudendosi a certi valori di potenziale di membrana. Tale suscettibilità alle variazioni del voltaggio è dovuta al fatto che le barriere sono costituite da residui amminoacidici carichi elettricamente. Il tempo di permanenza nello stato aperto o chiuso dipende dal potenziale di membrana.

Comportamento dei singoli canali ionici durante il potenziale d'azione

Fase di ascesa del potenziale: l’aumento del voltaggio di membrana, come conseguenza di un impulso, determina l’aumento della conduttanza per gli ioni Na⁺, cioè si aprono progressivamente sempre più canali per il passaggio di Na⁺, i quali avanzano dall’esterno all’interno, seguendo il gradiente. L’entrata di cariche positive all’interno della cellula rende progressivamente l’ambiente intracellulare meno polarizzato, aumentando il voltaggio del potenziale di membrana (depolarizzazione). La continua entrata di ioni Na⁺ provoca un aumento della depolarizzazione, inducendo così l’apertura di ulteriori canali per Na⁺, che a sua volta provoca un ulteriore aumento del flusso di Na⁺ (corrente Na⁺) e quindi un valore del potenziale di membrana sempre più positivo. Tale comportamento a feedback positivo spiega il carattere esplosivo della fase di ascesa del potenziale d'azione.

Fase di discesa del potenziale: la discesa del potenziale d'azione è il risultato di due processi:

• Diminuzione della conduttanza Na⁺ (g_Na): i canali Na⁺ voltaggio-dipendenti, oltre alla barriera sensibile alla depolarizzazione che induce l’apertura del canale per il Na⁺ (barriera di attivazione), presentano un’ulteriore barriera (barriera di inattivazione), la quale determina la chiusura del canale in situazioni di depolarizzazione della membrana. Questa barriera, come quella di attivazione, è sensibile alle variazioni di depolarizzazione, ma risponde più lentamente alle variazioni del voltaggio. Di conseguenza, la chiusura del canale Na⁺ si avrà dopo un tempo maggiore rispetto all’insorgenza del potenziale d'azione, permettendo così di realizzare l’aumento transitorio della concentrazione di Na⁺ intracellulare. Una volta che i canali Na⁺ si sono chiusi, non possono riaprirsi finché la membrana non si è ripolarizzata a un livello prossimo al potenziale di membrana di riposo.
• Aumento della conduttanza K⁺ (g_K): per il K⁺ abbiamo "canali K⁺ passivi" e "canali K⁺ voltaggio-dipendenti". Entrambi permettono il passaggio di K⁺ dall’interno all’esterno, seguendo il gradiente, portando cariche positive all’esterno della cellula e sono responsabili della ripolarizzazione del potenziale di membrana. Il canale K⁺ voltaggio-dipendente possiede un’unica barriera (barriera di attivazione) che si apre con la depolarizzazione. Quando la membrana si depolarizza durante il potenziale d'azione, si aprono numerosi canali K⁺ (aumento della conduttanza K⁺) che permettono il flusso di K⁺, il quale ha una direzione opposta al flusso di Na⁺, permettendo la ripolarizzazione della membrana. Tali canali si chiudono quando il potenziale di membrana ridiventa negativo, ma poiché non si chiudono velocemente, si avrà una situazione in cui la conduttanza K⁺ risulta più alta rispetto al potenziale di riposo. Ciò spiega il motivo per cui il valore del potenziale scende di qualche mV rispetto al potenziale di riposo, determinando una iperpolarizzazione postuma. Con la chiusura definitiva dei canali K⁺ voltaggio-dipendenti, si ritorna al potenziale di riposo (circa -70mV).

Periodo di refrattarietà: assoluta e relativa

Per quasi tutta la durata del potenziale d'azione, la cellula è refrattaria a qualsiasi altra stimolazione, di conseguenza non è in grado di generare un secondo potenziale d'azione per quanto possa essere elevata l’intensità della stimolazione. In particolar modo distinguiamo due momenti di refrattarietà:

• Refrattarietà assoluta: si realizzano dal momento che insorge il potenziale d'azione e dura fino a quando il potenziale non ridiventa quasi negativo. Il motivo di tale refrattarietà è dato dal fatto che una frazione consistente di canali Na⁺ sono inattivati dal voltaggio e i canali non possono riaprirsi finché la membrana non si è ripolarizzata. In queste condizioni non può essere reclutato un numero di canali Na⁺ sufficiente per produrre un potenziale d'azione.
• Refrattarietà relativa: si verifica durante la fase finale del potenziale d'azione, dove la cellula è di nuovo in grado di generare un altro potenziale d'azione, ma lo stimolo deve essere più intenso del normale, poiché fino a quando il potenziale non raggiunge i valori di riposo, diversi canali Na⁺ rimangono ancora inattivati. Inoltre, ad ostacolare la depolarizzazione e quindi la creazione di un nuovo potenziale si aggiunge l’alta conduttanza K⁺, che facendo fuoriuscire K⁺ determina un interno cellulare ancora più negativo rispetto al potenziale di riposo.

Conduzione del potenziale d'azione

I potenziali d'azione vengono condotti lungo gli assoni delle cellule nervose. Questi assoni possono essere di dimensioni diverse a seconda di dove sono localizzati (es. motoneuroni delle corna ventrali del midollo spinale  assone di 1 m o più – neuroni della retina  assone molto corto). Nel caso di assoni molto lunghi, per far sì che l’impulso sia propagato per tutta la lunghezza dell’assone senza diminuire di ampiezza, il potenziale d'azione deve autorigenerarsi man mano che procede lungo la fibra, il che significa che devono generarsi nuovi potenziali d'azione lungo l’assone.

Per far sì che ciò avvenga, è necessario che lo stimolo applicato sia così intenso da raggiungere la soglia e far partire di conseguenza il potenziale d'azione. Sarà proprio la depolarizzazione esplosiva che si ha con il potenziale d'azione a indurre un flusso di corrente entrante abbastanza intenso da portare alla soglia (e quindi generare un potenziale d'azione) le aree della membrana contigue. Queste aree sono a loro volta in grado di generare un flusso di corrente locale abbastanza intenso da portare a soglia aree ancora più distanti, potendo generare così anch’esse potenziali d'azione.

In questo modo il potenziale d'azione si propaga lungo l’assone, indipendentemente dalla sua lunghezza, mantenendo la stessa ampiezza e forma.

Dove inizia il potenziale d'azione? Per le caratteristiche dell’assone, se viene applicato un impulso nella parte mediana, esso è capace di propagarlo in entrambe le direzioni. Ma nel sistema nervoso i potenziali d'azione vengono generati inizialmente a livello del segmento iniziale dell’assone (dove l’assone si connette con il corpo  cono d’emergenza). Ciò si verifica perché questo segmento presenta un’elevata densità di canali Na⁺ voltaggio-dipendenti e possiede perciò la soglia più bassa di tutta la cellula. Inoltre, la bidirezionalità di conduzione è esclusa grazie alla refrattarietà del segmento retrostante il potenziale d'azione appena generato.