Il potenziale d’azione Significato funzionale: E’ la risposta ad uno stimolo depolarizzante che possono dare cellule elettricamente eccitabili, cioè provviste di un corredo di canali ionici voltaggio-dipendenti per il Na+ e per il K+ Significato funzionale: Nei neuroni – segnale elettrico che propagandosi lungo la fibra nervosa consente la trasmissione di messaggi elettrici a livello del SN Nelle fibrocellule muscolari – innesca il processo della contrazione La Biofisica dei canali ionici è storicamente legata alla comprensione dei meccanismi che generano i POTENZIALI D’AZIONE nelle cellule eccitabili. NB: durante il pda la membrana si trova in condizioni dinamiche (e non statiche, come nel caso del potenziale di riposo.

Per ottenere una rappresentazione corretta del pda, occorre effettuare delle derivazioni intracellulari, fatte da singoli elementi cellulari. Dapprima furono realizzate (con elettrodi metallici) dagli assoni giganti dei molluschi Cefalopodi (calamaro, seppia) … poi (con microelettrodi di vetro) da tutte le cellule eccitabili

Caratteristiche generali del potenziale d’azione La soglia Lo stimolo soglia è lo stimolo depolarizzante di intensità minima in grado di generare un potenziale d’azione in un neurone La legge del tutto o nulla In un neurone un potenziale d’azione o è generaro e si sviluppa in tutta la sua ampiezza, se lo stimolo raggiunge o supera la soglia, oppure non è generato affatto, se l’ampezza dello stimolo è inferiore alla soglia. La refrattarietà Un neurone, una volta generato un potenziale d’azione viene a trovarsi in uno stato di refrattarietà - periodo di refrattarietà assoluta: nessuno stimolo per quanto intenso è in grado di genrare un secondo potenziale d’azione - periodo di refrattarietà relativa: un secondo stimolo, a condizione che sia sufficientemente più intenso di quello soglia, è in grado di genrare un secondo potenziale d’azione

A dispetto di una notevole variabilità tra tipi cellulari diversi, i pda presentano tutti alcune proprietà fondamentali. Le note proprietà dei pda (richiamo) L’eccedenza (overshoot). Consiste in un’inversione temporanea del potenziale di membrana: Al picco del pda il pdm è +35 mV circa

Le note proprietà dei pda (richiamo) La soglia. NB per stimolare, occorre depolarizzare la membrana, cioè applicare una corrente che apporti cariche positive all’interno della cellula. (Stimoli sottoliminari e sovraliminari) Lo stimolo soglia è lo stimolo depolarizzante di intensità minima in grado di generare un potenziale d’azione

Le note proprietà dei pda (richiamo) la “legge” del tutto-o-del-nulla (analogia con lo sparo di un’arma da fuoco). In un neurone un potenziale d’azione o è generaro e si sviluppa in tutta la sua ampiezza, se lo stimolo raggiunge o supera la soglia, oppure non è generato affatto, se l’ampezza dello stimolo è inferiore alla soglia.

Le note proprietà dei pda (richiamo) La refrattarietà: la soglia è inizialmente elevatissima, ma poi, in una decina di msec, ritorna al livello normale). Refrattarietà assoluta Refrattarietà relativa

Soglia Legge del tutto o nulla Refrattarietà con HHsim http://www.cs.cmu.edu/~dst/HHsim/

Un’altra importante proprietà del potenziale d’azione è quella di potersi propagare lungo la fibra nervosa Dal vivo

Propagazione del potenziale d ’ azione Propagazione passiva E1 R1 R2 Segnale elettrico distanza Stimolo elettrico E1 R1 R2 E2 R3 E3

Un potenziale d’azione tende a propagarsi in tutte le direzioni dal punto in cui è stato generato ma Un potenziale d’azione in via di propagazione può solo avanzare e mai retrocedere

VELOCITÀ DI CONDUZIONE del potenziale d’azione in una fibra nervosa Essa è direttamente proporzionale alla costante di spazio l Essa è inversamente proporzionale alla costante di tempo t Inoltre, essendo v aumenta all’aumentare del diametro della fibra

stimolo 0.1 m 0.5 m Vm Distanza x soglia l2 V1 Vo xo x1 1 m l3 l1 L’eccitabilità neuronale è influenzata della costante di spazio l (e quindi dal diametro della fibra)

Propagazione del potenziale d ’ azione Lenta rispetto allo spargimento passivo § Auto - alimentata § Tutto - o - nulla § Per renderla pi ù veloce : § § Migliore spargimento passivo § Maggiore densit à di canali

Diagramma schematico di un assone mielinizzato di un nervo periferico Le fibre nervose possono essere amieliniche o mieliniche Diagramma schematico di un assone mielinizzato di un nervo periferico Strati di mielina nodi di Ranvier nucleo assone oligodendrocita

Conduzione saltatoria nelle fibre mieliniche Nelle fibre mieliniche la conduzione del potenziale d’azione non avviene in maniera “continua” ma con un meccanismo “saltatorio”

Conduzione saltatoria Saltatory Conduction nodo di Ranvier nodo di Ranvier nodo di Ranvier propagazione passiva propagazione passiva rigenerazione rigenerazione rigenerazione

Perch è la mielinizzazione è cos ì efficace ? Ö ( r /r ) l = m a ra : Invariata Propagazione passiva rm : aumentata ( resistori in serie Segnale elettrico ) Conduzione transiente migliore : ) Cm : diminuita ( condensatori in serie distanza Metabolismo pi ù basso: Canali ionici solo ai nodi Conduzione saltatoria Amplificazione

rmeq=rm1+rm2+rm3+rm4  rm aumenta  l=√(rm/ri) aumenta  v↑ Assone amielinico rm rm rm Cm Cm Cm Assone mielinico Cm1 rm1 Cm2 rm2 Cm3 rm3 Cm4 rm4 Ad ogni maglia: rmeq=rm1+rm2+rm3+rm4  rm aumenta  l=√(rm/ri) aumenta  v↑ Cmeq=(Cm1·Cm2·Cm3·Cm4)/ (Cm1+Cm2+Cm3+Cm4)  Cm diminuisce

rsm=rsm1=rsm2=rsm3=rsm4=1100 W·cm2 Csm=Csm1=Csm2=Csm3=Csm4=1 mF/cm2 Verifica numerica: Assone amielinico rsm=rsm1=rsm2=rsm3=rsm4=1100 W·cm2 Csm=Csm1=Csm2=Csm3=Csm4=1 mF/cm2 tm=rsm·Csm=1100 W·cm2 · 10-6 F/cm2 = 10-3 s s / cm 10 34 1100 2 v 3 - × r = t l µ Assone mielinico req=rsm1+rsm2+rsm3+rsm4=4400 W·cm2 Ceq= =(Csm1·Csm2·Csm3·Csm4)/ (Csm1+Csm2+Csm3+Csm4) =0.25 mF/cm2 tm=req·Ceq=4400 W·cm2 · 0.25·10-6 F/cm2 = 10-3 s Valori riferiti all’assone gigante di calamaro: Diametro=500 micrometri=5x10-2 cm  raggio=2.5x10-2 cm Rsm=1100 ohmxcm2 rm=7 Kohmxcm Rsi=34 ohmxcm  ri=17 Kohm/cm Csm=1 microF/cm2 s / cm 10 34 4400 2 v 3 - × r = t l µ

Effetto della Perdita della Mielina

Sclerosi Multipla Demielinizzazione Centrale Perdita di oligodendrociti Gli assoni rimangono relativamente preservati

L’eccitabilità neuronale è influenzata della costante di tempo t