Neuroscienze: Potenziale d'Azione e Ripolarizzazione (Fisio4)

Ciclo di Hodgkin del Sodio e Ciclo del Potassio: Meccanismi di Depolarizzazione e Ripolarizzazione

• I canali voltaggio-dipendenti sono chiusi durante il potenziale di riposo.
• Le correnti sono limitate ai canali normalmente aperti.
• Il potenziale di riposo di un neurone è circa -70 mV, mentre in un muscolo è circa -90 mV.
• Uno stimolo esterno porta la membrana al potenziale di innesco del sodio.
• L'apertura rapida dei canali voltaggio-dipendenti del sodio permette al sodio di entrare nella cellula, creando un aumento del potenziale di membrana.
• Il sodio entra nella cellula trainato dal suo gradiente elettrochimico, con una forza circa di 150 mV.
• Si raggiunge la massima apertura dei canali del sodio.
• La porta di inattivazione del sodio inizia a chiudersi.
• In contemporanea, i canali del potassio si aprono, ma con una cinetica più lenta.
• I canali del sodio si inattivano bloccando l'ingresso di sodio.
• I canali del potassio si aprono, favorendo l'uscita di potassio e facendo diminuire il potenziale di membrana.
• I canali del potassio si richiudono quando il potenziale scende, riportando la cellula alle condizioni di riposo.

Eventi del Potenziale d'Azione: Un Ciclo Dinamico

• Condizioni di Riposo: I canali voltaggio-dipendenti sono chiusi. Le correnti sono limitate ai canali normalmente aperti. Il potenziale di riposo è mantenuto tra -70 e -90 mV.
• Stimolo Soglia: Uno stimolo esterno determina l'apertura dei canali voltaggio-dipendenti del sodio, spingendo la membrana ad un potenziale di innesco.
• Depolarizzazione Iniziale: I canali voltaggio-dipendenti del sodio si aprono rapidamente. Il sodio entra nella cellula, causando un rapido aumento del potenziale di membrana fino ad un picco.

Ciclo di Hodgkin-Huxley del Sodio: Retroazione Positiva

• L'apertura dei canali del sodio crea un ciclo di retroazione positiva: più entrano ioni sodio, maggiore è la depolarizzazione, e più canali del sodio si aprono.
• Gradiente Elettrochimico: un forte gradiente elettrochimico spinge gli ioni sodio all'interno della cellula.
• Picco Ideale: Il potenziale d'azione ideale raggiunge il potenziale di equilibrio del sodio e la corrente di sodio cessa.
• Interruzione: Il ciclo si interrompe a causa dell'inattivazione dei canali del sodio.

Ciclo di Hodgkin-Huxley del Potassio: Retroazione Negativa

• I canali del potassio contribuiscono a riportare il sistema all'equilibrio dopo il picco del potenziale d'azione.
• Efflusso di Potassio: I canali del potassio si aprono e gli ioni potassio fuoriescono dalla cellula, riducendo il potenziale di membrana.
• Importanza dei gradienti: Il forte gradiente elettrochimico degli ioni potassio spinge le cariche fuori dalla cellula.
• Iperpolarizzazione Postuma: L'uscita di potassio continua, portando il potenziale di membrana al di sotto del valore di riposo.

Evoluzione del Modello di MP: Dal Semplice al Complesso

• Passaggio di modelli semplici a modelli più complessi nel tempo, passando da resistenze fisse a modelli più accurati che tengono conto del tempo e del voltaggio.
• Il Modello Hodgkin-Huxley tiene conto di correnti di sodio, potassio, e capacitiva e considera le variazioni di questi valori nel tempo, non più come valori statici.

Modello di Hodgkin-Huxley: Un Approccio Quantitativo al PDA

• Analisi quantitativa del potenziale d'azione considerando correnti ioniche e la loro variazione nel tempo e in funzione del voltaggio.
• Descrizione quantitativa del potenziale d'azione includendo le correnti di sodio, potassio, e capacitiva, e come questi valori cambiano nel tempo.
• Descrizione del ruolo della pompa sodio-potassio nell'aiutare a mantenere lo stato di riposo della cellula.

Correnti di Calcio (Ca2+): Un Ruolo Speciale

• Oltre ai canali del sodio e potassio, i canali del calcio svolgono un ruolo rilevante in alcuni tipi di cellule (fibre nervose, muscolo cardiaco, neuroni centrali).
• Influenzano la generazione del potenziale d'azione in queste cellule.
• Il ruolo del calcio nelle cellule pacemaker cardiache permette la contrazione ritmica del cuore.

Tecniche Patch-Clamp: Analisi dei Singoli Canali

• La tecnica patch-clamp permette di analizzare singoli canali ionici isolandoli e misurando la loro corrente.
• Diverse configurazioni (cell-attached, inside-out, outside-out) permettono di studiare i canali in differenti condizioni.

Correnti Unitarie: La Dinamica dei Singoli Canali Ionici

• Le correnti unitarie misurano il flusso di corrente attraverso singoli canali ionici.
• Analisi tramite tecniche di patch-clamp consentono di comprendere il comportamento e la dinamica dei singoli canali.
• Comportamento dinamico dei singoli canali influenzato da fattori come voltaggio e tempo.

Tecniche di Isolamento dei Canali

• Le tecniche di patch-clamp permettono di studiare il comportamento dei canali ionici in condizioni isolate.
• Isolate e misurate le correnti per ciascun canale.

Correnti Unitarie al Sodio (Na+)

• Analisi del comportamento del singolo canale di sodio in risposta a gradini di depolarizzazione.
• Un singolo canale può essere aperto o chiuso, presentando una dinamica binaria, con tempi e probabilità di apertura che variano.

Correnti Unitarie al Potassio (K+)

• Analisi del comportamento del singolo canale di potassio.
• Il comportamento dinamico è influenzato da fattori temporali.
• La corrente del potassio si mantiene tendenzialmente in modo costante per tutta la durata dello stimolo.

Correnti Unitarie al Calcio (Ca2+)

• Le correnti di calcio possono essere di tipo T (transitori) o L (duraturi).
• Canali di tipo T mostrano una cinetica rapida simile a quella del sodio.
• Canali di tipo L hanno una cinetica più lenta e persistente.

Propagazione del PDA: Un'Onda di Depolarizzazione

• Meccanismo di propagazione del potenziale d'azione lungo l'assone, mantenendo l'ampiezza e la velocità.
• Le correnti di depolarizzazione si diffondono attraverso la membrana, innescando il potenziale d'azione in aree adiacenti.
• La propagazione è un processo unidirezionale a causa dello stato refrattario delle membrane appena depolarizzate.

Costante di Spazio (λ)

• Distanza in cui il potenziale d'azione si riduce di 1/3.
• Dipende dalla resistenza di membrana e dalla capacità della membrana.
• Maggiore λ, maggiore la distanza di propagazione del potenziale.

Unidirezionalità della Propagazione

• La propagazione unidirezionale è garantita dalla refrattarietà assoluta, che impedisce la re-depolarizzazione delle aree precedentemente attivate.
• La refrattarietà impedisce al potenziale d'azione di ripolarizzarsi.

Velocità di Conduzione

• Determinata da fattori come diametro dell'assone e mielinizzazione.
• Assoni più grandi e mielinizzati presentano una velocità maggiore.
• Il prodotto (Resistenza interna x Capacità di membrana), definisce anche la velocità, un valore più basso significherà una propagazione più veloce.

Mielina: Isolamento e Conduzione Saltatoria

• La mielina isola l'assone e aumenta la costante di spazio a causa della diminuizione della capacità di membrana.
• La conduzione saltatoria fa sì che il potenziale d'azione salti da un nodo di Ranvier all'altro, aumentando la velocità.
• Nodi di Ranvier: zone nude dell'assone con canali voltaggio-dipendenti.
• I processi di depolarizzazione avvengono nei nodi di Ranvier.

Misura della Velocità di Conduzione

• Tecniche di stimolazione e registrazione per misurare la velocità di propagazione di un potenziale d'azione lungo un assone.
• Stimolazione e registrazione temporali per misurare la velocità e la distanza.
• Vari tipi di elettrodi, come intracellulari ed extracellulari.

Stimolazione con Elettrodi Extracellulari

• Tecniche di stimolazione extracellulare e come vengono utilizzati i metodi di misurazione.
• Considerazione della resistenza della cute.
• Uso di tecniche di registrazione per analizzare gli effetti sulla superficie del nervo.

Registrazione Extracellulare Monopolare

• Tecniche di registrazione monopolare con un elettrodo di misura e un elettrodo di riferimento,
• Misurazione della differenza del potenziale elettrico.
• Interpretazione delle curve e dei tracciati ottenuti.

Registrazione Extracellulare Bipolare

• Impiego di due elettrodi per testare il segnale.
• Le differenze dei valori misurati aiutano a ridurre gli artefatti ottenuti dalla dispersione.

Classificazione delle Fibre Nervose

• Classificazione delle fibre nervose in base alla velocità di conduzione e al diametro.

Rilevazione dello Stato di Salute del Nervo

• Metodi come la curva intensità/durata per studiare la salute e l'integrità di un nervo.
• Analisi della curva intensità/durata: informazioni sul comportamento elettrico delle fibre nervose, sia mielinizzate che non, per la misurazione dello stato di salute e la rilevazione di eventuali patologie.
• Valutazione della curva: fornisce informazioni sulla capacità del nervo di rispondere a diversi livelli di stimolazione.
• La presenza di anomalie in questa curva indica potenziali problemi con la funzionalità del nervo.

Scopri i meccanismi del potenziale d'azione e della ripolarizzazione in questo quiz. Esplora il ruolo dei canali del sodio e del potassio, il potenziale di riposo dei neuroni e le fibre nervose coinvolte nella conduzione degli stimoli. Metti alla prova le tue conoscenze sulle basi della neurofisiologia.