II parte: il potenziale d'azione neurofisiologia II parte: il potenziale d'azione

Riassunto lezione precedente Esistenza di un potenziale di membrana per tutte le cellule: Differenza di potenziale tra l’interno (citoplasma) e l’esterno (liquido extracellulare) della cellula mantenuto a spese di energia metabolica: pompa Na+ / K+ o meccanismo di trasporto attivo a spese di ATP che deve essere poi ricaricato

La pompa del sodio e del potassio indica che il potenziale di membrana è mantenuto con spesa energetica - pompa elettrogenica -

-O—P—O—P—O—P—OCH2 NH2 N C CH O HC || | O- Ruolo centrale svolto dalla molecola di ATP: moneta di scambio dei processi energetici nell’organismo

Dove avviene la produzione di energia Dove avviene la produzione di energia? L’ATP si ricostituisce attraverso meccanismi biochimici. La spesa di energia costituisce il metabolismo della cellula e dell’organismo in toto.

Reazioni esoergoniche e reazioni endoergoniche: da ogni mole di ATP si sviluppano 7Kcal ATP  ADP + Pi + 7Kcal

Da dove viene l’energia?

È possibile da un punto di vista fisico È possibile da un punto di vista fisico? Trasformazione delle calorie in Joule (e viceversa!) Da dove assumiamo energia? Dai legami chimici degli alimenti (calorie) Produciamo lavoro meccanico (Joule) 1 Kcal = 4.18 Joule

Il potenziale di membrana e il passaggio delle sostanze attraverso la membrana di una qualsiasi cellula N. B. scende ad onda quadra!!!! In questo grafico è importante osservare le variabili che stiamo misurando e il loro ordine di grandezza. Osserviamo anche come il potenziale di membrana scende ad onda quadra perchè sto REGISTRANDO (osservando) una situazione preesistente nella cellula.

Possiamo utilizzare l’Equazione di Nerst per calcolare il potenziale di Equilibrio dei vari ioni Ek = 61 log 148 / 5 = - 80 mV ENa = 61 log 10/145 = + 68 mV ECl = 61 log 4/103 = - 90 mV (fisioterapisti)

PK+[K+]0+PNa+[Na+]0+PCl-[Cl-]i supponendo che la membrana sia diversamente permeabile alle diverse specie ioniche, si è giunti alla formulazione di una relazione che è un’evoluzione dell’ equazione di Nerst. Si tratta dell’ EQUAZIONE DI GOLDMAN, la quale tiene conto anche del “fattore di permeabilità”: PK+[K+]0+PNa+[Na+]0+PCl-[Cl-]i Em=61 log PK+[K+]i+PNa+[Na+]i+PCl-[Cl-]0 Il Cloro è invertito perché ha carica negativa! (fisioterapisti)

Tra l’interno e l’esterno di una cellula esiste una elettroneutralità sostanziale ovvero una minima differenze nella distribuzione delle cariche. È grazie alla efficienza della matrice lipidica nel separare le cariche che è possibile che un minimo numero di ioni induca una differenza di potenziale molto alta. LA MATRICE LIPIDICA DELLA MEMBRANA SI COMPORTA COME UN CONDENSATORE AD ALTA EFFICIENZA (fisioterapisti)

Circuito elettrico equivalente di una membrana reale RK+ RNa+ RCl- - - - - Em + + + + Na+/K+ EK+ ENa+ ECl- Per essere precisi bisogna aggiungere il Cl- e la Pompa Na+/K+ fisioterapisti)

Eccitabilità cellulare Nel ‘700 si osservò che i muscoli di un preparato neuromuscolare di rana si contraevano mettendo a contatto del tessuto due metalli diversi in contatto tra loro; inizialmente si pensò che ciò fosse dovuto ad un fenomeno esterno. A partire dal XIX secolo, invece, è divenuto evidente che la produzione di elettricità è una proprietà intrinseca alla materia biologica. In altre parole, la membrana cellulare possiede proprietà elettriche.

A cosa servono i tessuti eccitabili? I tessuti eccitabili realizzano il sistema di comunicazione ed attuazione del nostro organismo permettendo il pensiero e il movimento. Gli organismi più semplici non hanno bisogno del sistema nervoso: quando un apparato deve comunicare qualcosa immette nel liquido interstiziale una molecola, che per diffusione giunge all'apparato-bersaglio dotato di recettori adatti. Un secondo passo nella scala evolutiva è costituito dall'immissione delle molecole-messaggero nel sistema circolatorio che raggiungeranno gli organi bersaglio in tempi relativamente brevi (il sistema endocrino agisce in questo modo). L' "ultimo ritrovato" in fatto di comunicazione tra diverse parti di un organismo è rappresentato dal sistema nervoso, che è ben più veloce dei precedenti. Per mezzo del sistema nervoso l'organo che trasmette e l'organo che riceve le informazioni sono collegati tra loro dalle fibre nervose, percorse da impulsi elettrici che raggiungono velocità anche superiori a 400 Km/h! Inoltre attraverso la sinapsi è possibile l’integrazione di più messaggi.

Cellule-organi -apparati e sistemi di comunicazione 16

Eccitabilità cellulare Le proprietà viste finora sono proprie di tutte le cellule tutte le cellule presentano un potenziale di membrana con negatività interna. cellule eccitabili: nervose e muscolari Due proprietà inscindibili eccitabilità conduttività potenziali graduati: modulabili in ampiezza potenziali d’azione: messaggio nervoso capacità di generare / propagare segnali elettrici in risposta a stimoli modificazioni ambientali esterne e/o interne al nostro corpo

Il tessuto nervoso è formato da neuroni e CELLULE GLIALI SOSTEGNO FISICO E BIOCHIMICO nel SNC scarsa matrice SONO FONDAMENTALI PER IL SOSTENTAMENTO DELLE CELLULE NERVOSE

neuroni: messaggio nervoso cellule gliali (sostegno) Il tessuto nervoso Le cellule del sistema nervoso: neuroni: messaggio nervoso cellule gliali (sostegno)

100 miliardi

900 miliardi

Il tessuto nervoso deve essere riccamente vascolarizzato per consentire un adeguato apporto di O2 (metabolismo aerobico)

La funzione dei NEURONI Trasportano segnali elettrici rapidamente a grande distanza Prolungamenti (processi): da pochi mm a + di 1 m

Trasduzione mediata da modificazione del potenziale di membrana in risposta ad un ‘evento trigger’ I segnali elettrici sono utilizzati dalla cellula per condurre informazioni rapidamente e a lunga distanza che spesso saranno “tradotte” in un luogo della cellula lontano dalla loro insorgenza. La genesi e la conduzione di questi messaggi dipendono dalla variazione della differenza di potenziale esistente ai capi della plasma membrana. Queste variazioni dipendono dal flusso di correnti (IONICHE) attraverso la membrana stessa.

CLASSIFICAZIONE DEI NEURONI PER STRUTTURA PER FUNZIONE

Modello: il neurone

Il potenziale di membrana del neurone

Classificazione anatomica e funzionale dei neuroni

PER FUNZIONE SENSITIVI: afferenze INTERNEURONI: interni al SNC EFFERENTI NERVI Motori Sensitivi Misti

Neurone e bersaglio

specifiche a breve e lunga distanza tra gli elementi che lo compongono La caratteristica fondamentale del cervello è la presenza di connessioni specifiche a breve e lunga distanza tra gli elementi che lo compongono

Il cervello è una fitta rete di comunicazione

Il corpo calloso 200-250 milioni di fibre che connettono i due emisferi

all’interno di ciascun emisfero… …milioni di fibre connettono aree con funzioni diverse

Un esempio semplice di integrazione: il riflesso flessorio stim. dolorosa -> trasmissione -> integrazione -> risposta che evita il danno

Anche un comportamento semplice può essere spiegato in termini di attività dei circuiti nervosi Neurone dei gangli delle radici dorsali del midollo spinale

Sarà quindi la apertura o la chiusura dei canali a determinare la variazioni della permeabilità della membrana agli ioni e quindi il passaggio di correnti in entrata o in uscita: queste correnti determineranno a loro volta variazioni della Vm In base ai flussi ionici che si determinano in seguito ad uno stimolo, una cellula viene definita: a riposo, depolarizzata o iperpolarizzata

Eccitabilità cellulare: movimento di ioni attraverso canali potenziale di membrana meno negativo: depolarizzazione ingresso di ioni Na+ potenziale di membrana torna al valore di riposo ripolarizzazione (uscita di ioni K+) movimento degli ioni porta il potenziale di membrana a valori più negativi: iperpolarizzazione (ingresso Cl-)

le parti fondamentali del neurone: i dendriti nucleo Dal greco déndron = 'albero' dendriti Più corti e ramificati nei pressi del soma Siete qui le parti fondamentali del neurone: i dendriti

Tutti i neuroni posseggono un numero variabile di dendriti ma un solo assone Origina da una protrusione del soma detta cono di emergenza presenta un citoplasma (assoplasma) contenente strutture citoscheletriche altamente specializzate Siete qui L’assone Camillo Golgi e Santiago Ramon y Cajal (premi Nobel 1906) al microscopio ottico con il metodo dell’impregnazione argentica, dimostrarono che anche il sistema nervoso è composto da singole unità confermando la natura cellulare dell’organismo

Classificazione dei neuroni in base al numero di prolungamenti retina ganglio vestibolare mucosa olfattiva i più comuni molto rari bipolari unipolari multipolari Cellule Purkinjie

Elementi funzionali del neurone: dendriti Dendriti porzione di ingresso Soma: neurone unità trofica Bottone sinaptico Sinapsi elemento di uscita e di comunicazione con altre cellule Zona trigger Cono di emergenza elemento decisionale o trigger assone Assone conduzione del messaggio all’interno della cellula mielina Distinguiamo 4 elementi con diversi ruoli funzionali:

Depolarizzazione, ripolarizzazione iperpolarizzazione Potenziale di membrana (Vm)

Tutti questi fenomeni costituiscono dei Potenziali graduati ossia si propagano con decremento secondo la legge di Ohm: elettrotono. Potenziale d’azione: Codice binario

(fisioterapisti) Variazioni del potenziale graduato a diverse distanze dal punto di stimolazione y = e (- t /t) per t = t sarà y = 1/e = 37% del valore massimo

Il potenziale d’azione Segnale utilizzato dal sistema nervoso per ricevere, analizzare e trasmettere informazioni. tempo (ms) soglia mV -55 -70 +20 Il potenziale d’azione Nasce quando uno stimolo depolarizzante porta il potenziale intracellulare dalla condizione di riposo al valore soglia inattivazione I canali per il Na+ regolano il movimento ionico mediante l’apertura e la chiusura di due cancelli: di attivazione (verso il liquido extracellulare) e inattivazione (verso il citoplasma). attivazione STOP Attivazione chiuso Inattivazione aperto Ingresso Na+ Attivazione aperto ok

Il potenziale d’azione: fasi descritte in base al comportamento dei canali rapidi voltaggio dipendenti del sodio

Il potenziale d’azione: feedback positivo

Potenziale d’azione: fasi soglia mV -55 -70 +20 Na+ K+ overshoot tempo (ms) Fase di riposo: la permeabilità di membrana agli ioni K+ è alta, i canali sono quasi tutti aperti in modo che gli ioni K+ possano diffondere fuori dalla cellula. La permeabilità di membrana al Na+ è bassa: il cancello di attivazione è chiuso e quello di inattivazione aperto e il Na+ non entra nella cellula. 1) Depolarizzazione: ingresso di Na+ Lo stimolo a soglia apre il cancello di attivazione dei canali per il Na+. Mentre la cellula si depolarizza, un numero sempre maggiore di canali per il Na+ si aprono: la polarità della cellula si inverte (overshoot) fino a +20 mV. 2) Ripolarizzazione: uscita di K+ Il cancello di attivazione si chiude e l’ingresso di Na+ cessa, mentre i più lenti canali del K+ raggiungono il picco di permeabilità.

Potenziale d’azione proprietà: 1) tutto o nulla può verificarsi ‘tutto’ cioè sempre nello stesso modo o non verificarsi per nulla soglia se lo stimolo è in grado di depolarizzare la cellula fino a questo valore, il potenziale d’azione nasce e nasce ‘tutto’, altrimenti il potenziale d’azione non nasce per nulla. causa Conseguenza: codice del SNC NON in ampiezza, MA in frequenza: stimoli più intensi fanno raggiungere la soglia in un tempo più breve, dando luogo ad un numero maggiore di potenziali d’azione nell’unità di tempo. Classificazione degli stimoli Sottoliminari Liminari Sopraliminari (adattamento)

Potenziale d’azione: Conduttanze e periodi refrattari conseguenze

Potenziale d’azione proprietà: 2) refrattarietà ms barriere di attivazione canali Na+ chiuse: assoluta relativa +20 No potenziale d’azione per qualsiasi stimolo. -55 -70 Refrattarietà mV Quando i canali del K+ si chiudono, il potenziale di membrana ritorna al valore di riposo e uno stimolo, di intensità uguale al precedente, può far nascere un nuovo potenziale d’azione Le barriere dei canali del Na+, sono ritornate nella posizione di partenza, ma poichè i canali del K+ si chiudono più lentamente, la corrente di Na+ in ingresso è bilanciata da quella in uscita di K+: Conseguenza: Limita la frequenza di scarica della cellula!

Effetti della stimolazione Elettrodi interni alla fibra IPERPOLARIZZAZIONE + - DEPOLARIZZAZIONE Elettrodi esterni alla fibra Catodo +++++++------------ Anodo ++++++++++++++ ATTIVAZIONE BLOCCO ESTERNO MEMBRANA CITOPLASMA Correnti locali elettrotoniche graduabili in ampiezza si propagano con decremento risposta in frequenza si propaga senza decremento (fenomeno rigenerativo attivo a spese di energia della cellula) Raggiunto il valore soglia nasce il potenziale d’azione (fisioterapisti)

profilo di decremento del Risposta locale STIMOLAZIONE tempo (msec) RISPOSTA depolarizzazione iperpolarizzazione -90mV mm Costante di spazio Distanza dal punto di stimolazione (mm) alla quale il segnale elettrotonico ha un’ampiezza pari al 37% della sua ampiezza massima. profilo di decremento del fenomeno elettronico costante di spazio punto di stimolazione (fisioterapisti)

Il potenziale d’azione viene condotto elettrotonicamente fino alla zona trigger del neurone

La conduzione del potenziale d’azione: si propaga sempre identico a se stesso ossia senza decremento Il p d’az, che origina dalla zona trigger del neurone, si propaga lungo l’assone, elemento di conduzione del messaggio della cellula nervosa. Il meccanismo generale è comune alla fibra muscolare striata e alla fibra nervosa amielinica. -------------------- +++++++++++ ++++++++++++ ------------------ ANTIDROMICO ORTODROMICO ripetersi del processo sequenziale di depolarizzazione e ripolarizzazione nascita in rapida successione di tanti potenziali d’azione, identici tra loro ciò che si propaga è la modificazione della permeabilità della membrana, che porta la cellula a soglia

Conduzione del potenziale d’azione: la zona eccitata porta a soglia la zona a riposo: raggiunta la soglia parte il potenziale d’azione legge del tutto o nulla

Conduzione puntuale del potenziale d’azione Conduzione puntuale del potenziale d’azione. Conseguenza: la velocità è troppo bassa per evocare ad esempio il riflesso di allontanamento da una fonte nociva

Analogo elettrico della fibra nervosa: la volocità di conduzione dipende dalla resistenza elettrica del citoplasma (Rin) e da quella di membrana. L’analogo elettrico della membrana è un condensatore La velocità di conduzione dipende da due parametri: resistenza e capacità di membrana (fisioterapisti)

Parametri fisici che determinano la velocità di conduzione diametro assone presenza mielina C = Q / V V = RI = RQ / t C = Qt / RQ RC = t membrana cellulare: condensatore (superficie isolante che separa due mezzi conduttori) la cui carica e scarica richiede un certo tempo t = RC CAPACITA’ RESISTENZA parametri che determinano la velocità di conduzione C = Q /V :numero di cariche che devono muoversi per depolarizzare la membrana Q C Velocità di propagazione t Velocità propagazione elettrotonica Maggiore t più lenta è la conduzione elettrotonica Resistenza: determina la rapidità con cui si verifica il flusso Rin Rm Rm * Rin Costante di spazio e costante di tempo determinano le proprietà della conduzione elettrotonica o conduzione a cavo (fisioterapisti)

Effetto del calibro della fibra sulla velocità di conduzione velocità di conduzione aumenta se: costante di tempo t minore costante di spazio l maggiore non sufficiente a ridurre drasticamente la capacità di membrana MIELINA Aa Ab Ad C Fibra 12-22 5-13 1-5 0.2-1.2 Diametro (mm) 70-120 30-70 12-30 0.2-2 Velocità (m/s) motorie tatto dolore Dolore SNA Funzioni

riduce la capacità di membrana fibre mielinizzate: necessità di introdurre un isolante: la mielina che però deve anche interrompersi (nodi di ranvier) assone Nucleo cellula di Schwann cellula di Schwann Nodo di Ranvier Fibre amieliniche Fibre mieliniche (v fino a 120 m/s) La Mielina riduce la capacità di membrana velocità di conduzione compatibili con i tempi di riflesso: RICORDA: tutte le fibre sensitive o motorie sono 1) di GROSSO CALIBRO e 2) MIELINIZZATE v (m/s) Diametro (mm)

La conduzione saltatoria t =t1 t = t3 t = t2 A B C t = t1 Per la presenza della guaina mielinica il potenziale d’azione nasce solo in corrispondenza dei nodi di Ranvier La mielina: Riduce la capacità di membrana ossia la quantità di carica da spostare Aumenta molto la resistenza di membrana per cui l aumenta cioè l’ampiezza del segnale si riduce più lentamente con la distanza ossia grazie all’isolamento elettrico della guaina viene persa una quantità minore di segnale. Le fibre mieliniche sono metabolicamente più efficienti perché il lavoro di pompa è confinato ai nodi di Ranvier dove sono concentrati i canali del Na+ voltaggio dipendenti.

Conduzione saltatoria e localizzazione dei canali per lo più a livello dei nodi di Ranvier

importanza di questo fattore ai fini della rigenerazione del nervo In seguito a lesione, il nervo va incontro a degenerazione a monte e a valle del punto dell’insulto. Se il nervo rigenera, una volta rigenerato, la sua velocità di conduzione risulta diminuita Fisioterapisti: Vedi file successivo