De Vito superstar - Fondamenti primo modulo PDF

FONDAMENTI ANATOMO FISIOLOGICI DELL’ATTIVITÀ PSICHICA Modulo uno INTRODUZIONE Psicobiologia: scienza che studia le basi biologiche del comportamento, sia quello esteriore sia i processi interni che lo hanno determinato. Circuito nervoso: gruppo di...

FONDAMENTI ANATOMO FISIOLOGICI DELL’ATTIVITÀ PSICHICA Modulo uno INTRODUZIONE Psicobiologia: scienza che studia le basi biologiche del comportamento, sia quello esteriore sia i processi interni che lo hanno determinato. Circuito nervoso: gruppo di neuroni connessi sinapticamente tra loro e che scambiandosi informazioni determinano i comportamenti, come percepiamo la realtà, ecc. Più circuiti si possono poi coordinare tra di loro. Nel cervello ogni area ha un nome e un numero – per esempio “corteccia visiva primaria 17”. È stato Brodmann a suddividere il cervello in aree in base a criteri citoarchitettonici (ampiezza degli strati della corteccia, grandezza e tipo delle cellule, ecc.). La prima area a essere stata scoperta è l’area di Broca che questo neurologo scoprì analizzando il cervello di un suo paziente che era capace di comprendere il linguaggio ma quando parlava emetteva solo la sillaba “tan” (da cui il “paziente Tan”). Essa compromette infatti la produzione del linguaggio ma non la sua comprensione. Un’altra importante area è l’area di Wernicke che invece compromette la comprensione ma non la produzione: i pazienti hanno un eloquio disorganizzato e privo di significato e non comprendono quello che viene loro detto. Entrambe queste aree sono nell’emisfero sinistro. La struttura che connette queste due aree è detta “fascicolo arcuato” e una lesione in questa zona determina un danno misto fino a una incapacità totale di parlare e di comprendere il linguaggio se tutta la zona è compromessa. I neuroni Neurone: cellula del sistema nervoso. Il telencefalo contiene circa 100 miliardi di neuroni e ogni neurone può gestire fino a 1000 ingressi sinaptici. L’attività neuronale non è costante ma ciclica con “onde” di varie frequenze (gamma, theta, ecc.). I neuroni sono le cellule umane con maggiore variabilità, hanno zone ben distinte funzionalmente, possono essere molto lunghi e hanno la capacità di eccitarsi. Esistono diversi tipi di neurone con forme diverse ma tutti hanno la stessa struttura. Compartimento di ingresso Riceve gli input sinaptici tramite i Dendriti e corpo cellulare. dendriti o nel corpo cellulare. Compartimento di integrazione Integra ed elabora le informazioni Corpo cellulare e monticolo (input) e genera una risposta assonico. (output). Compartimento di conduzione Trasmette la risposta verso il Assone. compartimento di uscita. Compartimento di uscita Invia l’informazione ad altre Terminali assonici. cellule. I dendriti possono essere molti, ma l’assone è uno solo. Dendriti e assone sono detti “neuriti”. Le cellule possono essere di vario tipo: - unipolari: hanno un solo processo e il soma è sprovvisto di dendriti. Sono preponderanti nel sistema nervoso degli invertebrati ma si trovano anche in alcuni gangli del sistema nervoso autonomo dei vertebrati. - bipolari: hanno un soma che dà origine a due processi (input e output). - multipolari: come le bipolari danno origine a due processi ma hanno più branche dendridiche che emergono in ogni parte del corpo cellulare. Il sistema nervoso Il sistema nervoso centrale SNC è composto dall’encefalo e dal midollo spinale. Il sistema nervoso periferico SNP è composto dai nervi. Il sistema nervoso è costituito, oltre che di neuroni, dalle cellule gliali o glie, con funzione trofica e di sostegno. - Oligodendriti: cellule che generano la guaina mielinica nel sistema nervoso centrale. - Cellule di Schwann: cellule che generano la guaina mielinica nel sistema nervoso periferico. - Microglie: cellule con funzione immunitaria e macrofaga. - Astrociti: cellule con funzione di supporto meccanico e trofico; per esempio gli astrociti perivascolari forniscono energia ai neuroni collegandoli ai vasi sanguigni. Inoltre regolano l’omeostasi, eliminano le sostanze di scarto del milieu cellulare e fanno “sifoning”, ovvero recuperano gli ioni o i neurotrasmettitori che si disperdono all’esterno del neurone. La creazione del potenziale elettrochimico Le cellule nervose generano segnali nervosi, costituiti da una parte chimica (la generazione di una di differenza di potenziale tramite scambi ionici) e una parte elettrica (la trasmissione dell’impulso lungo i neuriti). Per il principio di isopotenzialità il potenziale all’interno e all’esterno della cellula è identico; tuttavia a livello della membrana cellulare all’interno – nel citoplasma - tendono ad accumularsi gli ioni negativi (anioni) mentre all’esterno – nel citosol – quelli positivi (cationi). Questo determina una differenza di potenziale tra le due facce della membrana cellulare che genera una corrente (misurata in ampere). La corrente è ostacolata dalla resistenza (misurata in Ohm); più grande è la resistenza e più deve essere grande la differenza di potenziale per superarla (legge di Ohm). La differenza di potenziale che si registra tra lato interno e quello esterno della membrana cellulare è detto “potenziale di membrana” ed è pari al potenziale che si registra all’interno della membrana1. Il potenziale di membrana delle cellule animali è negativo e oscilla tra -40 e -100mV; in particolare il potenziale di membrana a riposo dei neuroni è di circa -60/65mV. Per definizione il potenziale non cambia nelle varie zone della cellula (potenziale uniforme). 1 Il potenziale di membrana è una differenza di potenziale ΔV perché è pari alla differenza tra il potenziale interno Vi e il potenziale esterno Ve. Abbiamo dunque che ΔV = Vi - Ve, ma tale differenza sarebbe pari a zero per il principio di isopotenzialità, dunque consideriamo Ve = 0 e andiamo a considerare solo il potenziale interno. La creazione di un potenziale di membrana dipende dal passaggio di ioni carichi positivamente o negativamente attraverso la membrana. Gli ioni possono passare attraverso la membrana cellulare - secondo gradiente di concentrazione (chimico), spostandosi dalle zone in cui sono più concentrati a quelle in cui lo sono meno, - secondo gradiente elettrico, spostandosi dalla zona in cui ci sono meno ioni di carica opposta a quella in cui ce ne sono di più. Perché si crei una differenza di potenziale sono necessarie due condizioni: - che ci sia un gradiente ionico – ovvero che da una parte della membrana ci siano più ioni rispetto all’altra, - che la membrana abbia una permeabilità selettiva. Il gradiente ionico fa sì che gli ioni si spostino secondo gradiente di concentrazione, mentre la permeabilità selettiva fa sì che passino solo alcuni tipi di ioni. Nella cellula sono presenti entrambe le condizioni in quanto la membrana cellulare è semipermeabile ed è presente un gradiente ionico dato che all’interno della cellula sono presenti anioni non permeabili (ioni o molecole negativi che non riescono a passare la membrana cellulare, cestome proteine o solfati). Per esempio, dato che [K+]int = [Cl-]int + [A-]int e che [K+]est = [Cl-]est allora questo vuol dire che c’è più K all’interno che all’esterno e che dunque vi è un gradiente ionico. - Il potassio dunque tenderà a uscire dalla cellula muovendosi secondo gradiente di concentrazione. - La cellula, dato che stanno uscendo ioni positivi, diventa più negativa. - A questo punto però ci sono più ioni negativi all’esterno che all’interno e dunque gli ioni negativi esterni (cloro) tendono a entrare muovendosi secondo gradiente elettrico fino a quando non si crea un equilibrio tra tutte queste forze. L’equazione di Nernst Gli scambi tra l’interno e l’esterno della cellula sono descritti dall’equazione di Nernst. L’equazione di Nerst ci dice infatti qual è il potenziale di membrana (espresso in mV) che determina uno stato di equilibrio E per un certo ione, ovvero il potenziale di membrana in cui i flussi dall’interno verso l’esterno e dall’esterno verso l’interno per un certo ione si equivalgono (dunque possiamo dire che non ci sono flussi). ܴܶ [‫]ܥ‬௘௦௧ ∆ܸ௘௤௨௜௟௜௕௥௜௢ ሺ= ܸ௜௡௧ − ܸ௘௦௧ ሻ = − × ln ‫ܨݖ‬ [‫]ܥ‬௜௡௧ dove R = costante dei gas T = temperatura in gradi kelvin z = valenza ionica (+1 per Na e K, -1 per Cl e +2 per Ca) F = costante di Faraday ln = logaritmo naturale in base ݁ [C]int/est = concentrazione generica interna e esterna Dato che per un certo ione la valenza ionica è fissa, R e F sono costanti e la temperatura in gradi kelvin non varia molto, possiamo riunire tutti questi valori in una costante (pari a 58mV) e riscrivere l’equazione in questo modo: [‫]ܫ‬௘௦௧ ∆ܸ௘௤௨௜௟௜௕௥௜௢ = ‫ݖ‬58ܸ݉ × log [‫]ܫ‬௜௡௧ dove z sarà +1 per Na e K, -1 per Cl e +2 per Ca. Se la membrana di una cellula è permeabile a un solo ione, l’equazione di Nernst definisce il potenziale di riposo di quella cellula; questo vale per esempio per gli astrociti la cui membrana cellulare possiede solo canali passivi (o di leakage) permeabili solo al potassio e che dunque hanno un potenziale di riposo di -75mV (Vm = EK = -75mV). La membrana cellulare tuttavia è in genere permeabile a diversi ioni (a livello di canali passivi): questo significa che se la membrana a riposo è a un valore di differenza di potenziale pari a quello del potassio, ci saranno comunque flussi passivi di sodio e di cloro, se è a quello del sodio ci saranno flussi di potassio e cloro e così via. I potenziali di riposo per i vari ioni sono i seguenti: - EK = -75mV - ECl = -65mV - ENa = +55mV Il potenziale di riposo di un neurone è di circa -65mV, pari a quello del cloro, dunque ci saranno flussi di potassio e sodio. La forza elettromotrice e quella elettrochimica La forza elettromotrice (fem) è uguale alla differenza tra il potenziale di membrana e il potenziale di equilibrio per quello ione. ݂݁݉ூ = ܸ௠ − ‫ܧ‬ூ Più siamo vicini al potenziale di riposo per un certo ione e meno flusso di quello ione ci sarà e viceversa. La forza elettromotrice è però modificata dalla conduttanza della membrana per quello ione, dunque il flusso netto per un certo ione è uguale alla forza elettromotrice per la conduttanza per quello ione. ݅ூ = ݂݁݉ூ × ݃ூ (iI: flusso per un certo ione, gI: conduttanza della membrana per un certo ione) Per esempio la parete cellulare ha una bassa conduttanza (che può essere intesa anche come permeabilità) al sodio e dunque ne limita il passaggio nonostante il potenziale di riposo della cellula sia -65mV e quello del sodio sia +55mV, quindi ci sia molta differenza e dunque il flusso dovrebbe essere alto. La forza elettrochimica2 è la forza risultante tra la forza elettromotrice dovuta al gradiente elettrico e quella chimica dovuta al gradiente di concentrazione tra le due pareti della membrana. Essa è diversa per ogni ione in quanto ci sono diverse concentrazioni di un certo ione all’interno e all’esterno della cellula. Guardiamo i casi relativi ai singoli ioni. Nel caso del sodio ce n’è più all’esterno che all’interno quindi tenderà a entrare secondo gradiente di concentrazione; inoltre il sodio, essendo positivo mentre la cellula è negativa, tenderà a entrare anche secondo gradiente elettrico. La risultante è una forza elettrochimica molto forte che però è frenata dal fatto che la parete cellulare ha una bassa conduttanza per gli ioni Na e dunque alla fine consente un flusso moderato in ingresso di sodio. Per quanto riguarda il potassio, essendo più concentrato all’interno che all’esterno, secondo gradiente di concentrazione tenderà a uscire, ma contemporaneamente, essendo la cellula negativa e gli ioni potassio positivi, il potassio tenderà a entrare secondo gradiente elettrico. La forza elettrochimica è dunque debole 2 Notare che il De Vito non distingue tra forza elettromotrice ed elettrochimica ma fa confluire l’effetto del gradiente di concentrazione nella forza elettromotrice e non parla mai di forza elettrochimica, come invece fa il Kandel. (da una parte tende a uscire, dall’altra tende a entrare) ma la permeabilità cellulare per il potassio è alta, quindi alla fine ci sarà un flusso moderato in uscita di potassio. I flussi di sodio e di potassio tenderanno a uguagliarsi. Per quanto riguarda infine il cloro, essendo più concentrato all’esterno, secondo gradiente di concentrazione tenderà a entrare, ma essendo uno ione negativo tenderà a uscire secondo gradiente elettrico. In questo caso avremo una forza elettrochimica nulla e dunque la permeabilità per questo ione sarà ininfluente; non a caso il potenziale di membrana a riposo è pari all’incirca al potenziale di equilibrio per il cloro. Avremo quindi un flusso nullo di cloro. L’equazione di Goldman – Hodgkin - Katz L’equazione di Goldman – Hodgkin – Katz calcola il potenziale di membrana tenendo conto di tutti questi flussi risultanti dalle varie forze. ܴܶ ܲ௄ ∙ [‫ ܭ‬ା ]௘ + ܲே௔ ∙ [ܰܽ ା ]௘ + ܲ஼௟ ∙ [‫] ି ݈ܥ‬௜ ܸ௠ = × ln ‫ܨ‬ ܲ௄ ∙ [‫ ܭ‬ା ]௜ + ܲே௔ ∙ [ܰܽା ]௜ + ܲ஼௟ ∙ [‫] ି ݈ܥ‬௘ (Vm = potenziale di membrana R = costante dei gas F = costante di Faraday T = temperatura in gradi kelvin PK = permeabilità agli ioni K + [K ]e/i = quantità di ioni K+ all’esterno/interno della parete cellulare) Lo stato di equilibrio si ha quando la membrana è permeabile solo a uno ione (per esempio gli astrociti) e dunque c’è flusso solo di un certo ione e tale flusso è lo stesso sia in ingresso che in uscita e dunque può essere mantenuto all’infinito. Lo stato stazionario si ha quando la membrana è permeabile a più ioni e in questo caso non si ha mai un flusso netto nullo. Anche se uscisse tanto potassio quanto è il sodio in entrata, la cellula finirebbe per essere piena di sodio e vuota di potassio, creando uno squilibrio elettrochimico tra le concentrazioni ioniche interne e esterne. Nel neurone lo stato stazionario è detto “potenziale di riposo”. Per evitare che lo stato stazionario porti a una degenerazione della cellula, i neuroni sono provvisti di un enzima chiamato “pompa sodio-potassio ATPasi” che fa uscire tre ioni Na facendone entrare due di K in modo da mantenere l’equilibrio elettrochimico. Questo lavoro necessita di energia che è fornita dall’ATP che fornisce energia idrolizzando uno dei legami fosfato e diventando ADP. Questa pompa è continuamente attiva anche a riposo ma aumenta l’attività con l’eccitazione del neurone. Il potenziale d’azione Un segnale nervoso è una variazione del potenziale di membrana rispetto al potenziale di riposo. - Se entra corrente (ovvero entrano ioni positivi) si ha una depolarizzazione, ovvero il potenziale di membrana diventa meno negativo. - Se esce corrente (ovvero escono ioni positivi) si ha una iperpolarizzazione, ovvero il potenziale di membrana diventa più negativo. Se un neurone riceve uno stimolo, entra corrente e il potenziale di membrana sale oltre un certo valore – detto “valore soglia” – si innesca un potenziale d’azione, ovvero la cellula non solo si depolarizza, ma ha una risposta attiva, ovvero aumenta repentinamente il potenziale di membrana. Il potenziale d’azione fa si che la cellula diventi carica positivamente (e dunque diventi carica negativamente all’esterno della membrana cellulare); questo fenomeno è detto “inversione della polarità”. Successivamente il potenziale di membrana cala repentinamente fino ad arrivare a valori negativi ancor più bassi dell’inizio (iperpolarizzazione postuma). Tutto questo fenomeno dura circa 2ms. Il potenziale d’azione si può innescare in ogni punto della cellula anche se il valore soglia varia nei vari punti della cellula e tra diversi tipi di cellule; in genere il valore di soglia oscilla tra -50 e -35mV. Dato che il punto in cui il potenziale di soglia è più basso – e dunque più facile da superare – è il monticolo assonico, è in questo punto che si generano la maggior parte dei potenziali d’azione. A determinare la generazione di un potenziale d’azione sono i canali Na e K voltaggio dipendenti (Vdip) che si aprono quando la cellula inizia a depolarizzarsi. Se però lo stimolo non è sufficiente a raggiungere il potenziale di soglia (stimolo sotto-soglia), non si genera un potenziale d’azione. In questo caso infatti la corrente del sodio viene bilanciata dall’aumento della corrente passiva del potassio (data dal fatto che se inizia a entrare sodio la membrana si depolarizza e il potassio sarà spinto a uscire), non si genera il ciclo a feedback positivo del sodio e il potenziale d’azione non parte. Vediamo tutto il processo relativo al potenziale d’azione. Il neurone prima dell’arrivo dello I canali Na Vdip sono attivi ma I canali K Vdip sono attivi ma stimolo ha un potenziale di riposo chiusi. chiusi. di -65mV. Giunge uno stimolo depolarizzante. Se viene raggiunto il potenziale di Si aprono i canali Na Vdip. Contemporaneamente ma più soglia si aprono i canali voltaggio Il sodio tende a entrare sia per lentamente si aprono anche i dipendenti del sodio e del gradiente di concentrazione (ce canali K Vdip. potassio e si innesca la catena di n’è di più all’esterno della cellula) Il potassio tende a uscire per eventi che porterà alla creazione sia per gradiente elettrico (gli ioni gradiente di concentrazione (ce di un potenziale d’azione. Na sono positivi e l’interno della n’è più dentro) ma non per quello cellula è negativo). elettrico (gli ioni K sono positivi e l’esterno della cellula è positivo). Il ciclo del sodio è a feedback L’ingresso di sodio fa aumentare positivo, ovvero più ne entra e i il potenziale di membrana e canali si aprono. questo fa sì che esso si allontani Questo fa aumentare la dal valore di equilibrio per il conduttanza per il sodio fino potassio secondo Nernst. quasi ad arrivare al potenziale di Questo fa progressivamente riposo del sodio secondo Nernst aumentare la fem del potassio. (+55mV) (ciclo del feedback Il ciclo del potassio è tuttavia a positivo del sodio o ciclo di feedback negativo, ovvero più ne Hodgkin). esce e più i canali inizieranno a chiudersi, in quanto più potassio esce e la cellula diventa negatuva e dunque il potassio che è positivo tenderà a non uscire. Si verifica l’inversione di polarità Arrivata a +50mV i canali Na Vdip La membrana è estremamente della membrana: l’interno si inattivano3 a causa del depolarizzata e dunque i canali diventa positivo e l’esterno meccanismo della ball and chain potassio continuano ad aprirsi e a negativo. (pur restando aperti) e il sodio fare uscire potassio (che è smette di entrare. anch’esso positivo e dunque, visto che la cellula è ora positiva, tenderà a uscire anche per gradiente elettrico). La corrente Na è dunque La corrente K è uscente, tardiva e entrante, precoce e inattivante. non si inattiva. La cellula si polarizza nuovamente Il flusso del sodio è ora a zero. Poiché la cellula si sta ripolarizzando, i canali K cominciano a chiudersi ma il potassio continua ad uscire e questo determina una iperpolarizzazione (-75mV) del neurone. 3 Una corrente si disattiva quando smette se smette lo stimolo che la ha attivata; si inattiva quando smette pur in presenza dello stimolo che la ha attivata. Alla fine del potenziale d’azione – I canali Na Vdip sono ancora I canali K Vdip sono quasi tutti e anche al momento del picco del inattivi. chiusi. potenziale d’azione - si ha un periodo refrattario assoluto in cui è impossibile che si generi un nuovo potenziale d’azione. Più il periodo refrattario è corto e più il neurone potrà generale più potenziali d’azione in un’unità di tempo. In questo periodo la pompa Na/K ripristina i valori iniziali di Na e K. Segue un periodo refrattario I canali Na Vdip iniziano a I canali K Vdip sono quasi tutti relativo in cui il neurone può riattivarsi (non c’è più la ball and chiusi; quelli ancora aperti produrre dei potenziali d’azione chain) ma ancora non sono tutti depolarizzano la cellula che avrà ma più deboli e con maggior nuovamente attivi. dunque un potenziale di soglia difficoltà perché il potenziale di più basso. soglia in questo momento è più alto e dunque necessita di stimoli più potenti per essere superato. Il periodo refrattario relativo è dovuto al fatto che i canali Na non sono ancora tutti di nuovo attivi e che quelli K sono lenti a chiudersi e iperpolarizzano la cellula. Schema del potenziale d’azione I canali ionici I canali ionici sono proteine integrali di membrana (ovvero che la attraversano integralmente) che creano un poro acquoso che permette i passaggio di ioni (la membrana all’interno è idrofoba e dunque gli ioni – che sono legati all’acqua – non potrebbero passare). Le dimensioni del poro acquoso nel punto più stretto – detto “filtro di selettività” – sono di livello atomico. Sono stati Hodgkin e Huxley a scoprire che i canali del sodio e del potassio fossero voltaggio dipendenti – ovvero dipendessero da delle “correnti di cancello” - attraverso un “voltage clamp”, ovvero uno speciale amperometro che era capace di misurare la conduttanza della membrana variandone artificialmente la carica. Per isolare invece le variazioni della conduttanza per i singoli ioni si è utilizzata una tetradossina che blocca i canali voltaggio dipendenti del sodio e il tetraetilammonio che blocca invece quelli del potassio. I canali si dividono secondo quattro criteri - meccanismi di selettività, - meccanismi di apertura, - cinetiche di attivazione (inattivazione e deattivazione), - sistemi di blocco (attraverso proteine, ioni, farmaci, ecc.). I meccanismi di selettività sono quattro. - Selettività sterica4 – È un esclusione esclusivamente meccanica: ioni che sono più grandi del canale non riescono a passare (per esempio uno ione K non riesce a passare da un canale Na. - Meccanismo elettrostatico – All’interno del canale ci sono cariche elettriche che determinano quali ioni possono entrare (canali selettivi per Na avranno una cariche opposte rispetto a quelli selettivi per K). - Guscio di idratazione – Gli ioni sono circondati da un guscio di idratazione costituito da molecole di acqua. Questo guscio rende lo ione più “grande”; per passare attraverso la membrana lo ione deve dunque perdere il guscio di idratazione e poi riacquistarlo dall’altra parte. Dato che perdere il guscio è un processo sfavorevole, serve energia per realizzarlo; tale energia si chiama “energia di idratazione” e viene fornita da cariche elettriche parziali presenti all’interno del canale e che forniscono energia elettrostatica. Questo spiega anche perché uno ione più piccolo non riesce a entrare in un canale più grande, ovvero perché non riesce a toccare sufficienti cariche all’interno del canale per perdere il guscio di idratazione. - Meccanismo di esclusione entropica – Nel canale del Ca ci sono quattro carice negative che devono essere compensate da due ioni Ca (bivalenti positivi) entranti. Questo meccanismo potrebbe funzionare anche con Na e K, ma, essendo monovalenti, è difficile che riescano a entrare in quattro contemporaneamente. 4 Relativo alla distribuzione spaziale degli atomi. Canali passivi e attivi I canali passivi I canali attivi - sono sempre aperti e si attivano in tempi - la loro apertura è regolata da vari fattori e molto lenti (minuti), si attivano velocemente (millisecondi), - determinano il potenziale di riposo. - determinano i cambiamenti di potenziale di I canali passivi sono quelli che determinano il membrana. potenziale di riposo del neurone: in un neurone ci sono diversi canali cloro e potassio e pochi sodio. I canali attivi sono di quattro tipi: - ligando dipendenti, - voltaggio dipendenti, - a controllo di fosforilazione, - a controllo meccanico. I canali ligando dipendenti o a controllo di ligando (per esempio quelli relativi alla trasmissione sinaptica) hanno sulla superficie dei siti per una molecola detta “ligando” (acetilcolina, GABA, ecc.). Normalmente il canale è chiuso; quando però il ligando si lega al canale si determina una modificazione della conformazione del canale stesso che si apre. I canali voltaggio dipendenti o a controllo di voltaggio sono responsabili delle conduttanze voltaggio dipendenti, fondamentali nel potenziale d’azione. Questi canali hanno degli elementi sensibili alle variazioni di potenziale che muovendosi determinano una corrente di cancello. Quasi tutti i canali voltaggio dipendenti hanno il segmento S4 che è fortemente basico, ovvero ha molte cariche positive. Per questo motivo, dato che l’interno della cellula è negativo, questo segmento normalmente viene tirato verso l’interno determinando la chiusura del canale. Quando l’interno della cellula si depolarizza – durante un potenziale d’azione – questo segmento tende ad andare verso l’esterno e così il canale si apre. I canali Na e K voltaggio dipendenti funzionano in questo modo. Un altro tipo di chiusura dei canali voltaggio dipendenti è detta “ball and chain” ed è tipica dei canali Na. Questi canali vengono infatti inattivati – e non chiusi – da una “palla” proteica legata con un filamento all’ingresso interno del canale ionico. Quando il canale si apre la “palla” inizia ad avvicinarsi all’apertura del canale fino a quando non lo “tappa”; il canale è dunque ancora aperto, ma nessuno ione Na può passare. I canali a controllo di fosforilazione hanno sul lato interno della membrana degli enzimi – detti “chinasi” – che legano i gruppi fosfato che provengono dall’idrolisi dell’ATP e che sono negativi a delle proteine di membrana. Quando si verifica una fosforilazione, si generano delle forze elettrostatiche negative che causano un cambiamento conformazionale che porta all’apertura o alla chiusura del canale. Mentre i canali ligando dipendenti sono collocati sulla faccia esterna della membrana cellulare e in presenza del ligando si aprono, quelli a controllo di fosforilazione sono collocati sulla faccia interna e in presenta della fosforilazione di aprono o si chiudono. Inoltre la situazione precedente alla fosforilazione non può avvenire automaticamente ma c’è bisogno dell’intervento di un enzima – la fosfatasi – che defosforilizza il canale riportandolo alla situazione di apertura o di chiusura che aveva in partenza. Infine i canali a controllo meccanico si aprono o chiudono a causa di forze meccaniche trasversali (se la membrana viene pigiata o tirata) o longitudinali (se la membrana viene stirata o compressa). In un canale possono passare circa 106/107 ioni al secondo. A livelli bassi fem e corrente sono direttamente proporzionali; questo è detto “comportamento ohmico”, in quanto il canale si comporta come una resistenza ed è la situazione di norma presente. Arrivati a correnti massime per il canale, il comportamento diventa “di Michaelis – Menten”, ovvero il canale si satura e l’aumento della fem non produce un aumento di corrente. Curve elettriche di voltaggio Per capire se un canale è attivo o passivo e per quale ione è selettivo viene utilizzata una tecnica sperimentale in cui viene indotta una certa differenza di potenziale nella membrana e viene misurato il flusso di ioni, ovvero la corrente entrante o uscente, tracciando delle curve elettriche di voltaggio. Il fatto che i valori riguardino situazioni sperimentali lo si vede anche dal fatto che prevedono una corrente sia entrante che uscente, mentre un canale ha un unico verso. Il punto in cui la linea tocca lo zero è il potenziale di equilibrio (dove i flussi sono nulli), detto in questo caso anche “potenziale di inversione” in quanto è il valore di potenziale in cui il flusso si inverte (cosa impossibile in natura e verificata solo sperimentalmente); a seconda del valore di tale punto si può capire per quale ione è selettivo un certo canale (per esempio se è a +55mV si tratterà di un canale Na). Se invece il punto si colloca su valori intermedi, allora il canale è selettivo – in diversa misura – per due ioni. Canali passivi Con i canali passivi i valori di corrente ai vari potenziali di membrana indotti sperimentalmente si collocano su una retta. Questo significa che il canale non è voltaggio dipendente perché la corrente varia proporzionalmente al variare del potenziale di membrana e che il canale è sempre aperto. Maggiore è il coefficiente angolare e maggiore è la conduttanza. Canali attivi Si capisce che questa linea riguarda un canale voltaggio dipendente perché a certi potenziali di membrana il flusso è zero, ovvero il canale è chiuso. Il punto in cui inizia a esserci corrente è il potenziale di soglia per quel canale e poi inizia a richiudersi fino al suo potenziale di equilibrio. I canali voltaggio dipendenti Alcuni canali sono presenti in tutti i neuroni; per esempio i canali K passivi. Altri sono presenti in tutti i neuroni ma non in tutti i compartimenti; per esempio i canali Na Vdip sono presenti nei compartimenti di integrazione e di conduzione ma non in quelli di ingresso. Altri ancora sono presenti solo in alcuni neuroni; per esempio i canali a controllo meccanico sono presenti solo nei neuroni correlati al senso del tatto e della propriocezione. Di quest’ultimo tipo fanno parte anche i canali K calcio dipendenti e i canali Ca voltaggio dipendenti e bassa soglia. I canali potassio calcio dipendenti I canali potassio calcio dipendenti sono canali che fanno passare il potassio e che sono dipendenti dalla concentrazione di calcio all’interno della cellula; sono tipici dei recettori sensoriali. Il calcio nel citosol (dentro la cellula) è scarso e dunque a riposo questi canali sono chiusi. Quando si crea un potenziale d’azione entra un po’ di calcio dai canali Ca Vdip. Dopo una decina di potenziali ravvicinati tra di loro – un “burst” – nella cellula è entrato sufficiente calcio da attivare i canali K Cadip (se presenti). Questo fa sì che esca del potassio che iperpolarizza leggermente la cellula e rende più difficile raggiungere il potenziale di soglia. Questo comportamento è detto “adattamento” ed è tipico dei recettori sensoriali che, in risposta a una stimolazione prolungata, diminuiscono la capacità di risposta a ulteriori stimoli. Se questo non avvenisse, il cervello sarebbe sovrastimolato dalle informazioni sensoriali in ingresso; in questo modo viene ridotto il carico computazionale. I canali calcio voltaggio dipendenti a bassa soglia I canali calcio voltaggio dipendenti a bassa soglia sono canali presenti solo in alcuni tipi di neuroni, come per esempio i neuroni che formano i nuclei di relé – o di trasmissione – del talamo, ovvero quelli che raccolgono gli input sensoriali e poi li ritrasmettono alla giusta parte della corteccia cerebrale. A valori pari a quelli del potenziale di riposo i canali calcio voltaggio dipendenti sono inattivati (ovvero sono inattivi nonostante la presenza di stimoli) perché si attivano a valori maggiori di potenziale di membrana. Questo tipo di canale ha una funzione particolare all’interno del talamo durante il sonno profondo; in questa situazione infatti il talamo, anche se continuiamo ad avvertire sensazioni tattili (anche solo quelle del corpo sul letto), queste non vengono inviate alla corteccia. Queste cellule determinano tuttavia un’attività ciclica di “burst” o “treni” di potenziali di azione con una funzione di “segnatempo”. Le cellule del talamo con canali calcio voltaggio dipendenti durante il sonno sono iperpolarizzate; se questo stato di iperpolarizzazione dura per un tempo sufficiente allora i canali Ca Vdip si attivano, fanno entrare Ca, determinando poi una depolarizzazione della cellula anche in assenza di stimoli. La depolarizzazione determina l’apertura anche dei canali Na e K Vdip fino a superare il potenziale di soglia generando una scarica di potenziali di azione. Se invece arrivano tante informazioni al talamo queste fanno alzare il livello del potenziale di riposo non permettendo l’attivazione dei canali Ca Vdip (che appunto si attivano in situazione di iperpolarizzazione prolungata). La cellula torna quindi, da una modalità “burst”, a una “tonic” o “relé”. I canali calcio voltaggio dipendenti a bassa soglia I canali calcio voltaggio dipendenti ad alta soglia (LVA – Low voltage activated) (HVA – High voltage activated) - Sono presenti solo in alcuni tipi di neuroni; - Sono presenti in tutti i tipi di neuroni. per esempio i neuroni che formano i nuclei - Si attivano a un potenziale di membrana di relé – o di trasmissione – del talamo. maggiore (-40mV). - Si attivano a un potenziale di membrana di - Sono anche responsabili della trasmissione -50mV (quindi in situazioni di sinaptica e della contrazione dei muscoli e iperpolarizzazione). del cuore. La propagazione passiva del potenziale d’azione (elettrotonica) Quando si crea un potenziale d’azione in un certo punto della membrana cellulare in quel punto si ha un’inversione di polarità: nella faccia interna si accumulano cariche positive e su quella esterna cariche negative. Le cariche positive che sono entrate, circondate da cariche negative, tenderanno a espandersi nelle zone limitrofe, sia per gradiente elettrico che di concentrazione. Questo movimento depolarizza anche le zone vicine a quelle in cui si è innescato il potenziale d’azione, ma poco a poco la carica diminuirà, sia perché le cariche si diluiscono sia perché tenderanno a uscire dalla membrana. Questo tipo di propagazione passiva sull’assone è detta “propagazione elettrotonica”. La rapidità con cui la depolarizzazione si attenua in base alla distanza dal suo punto iniziale viene espressa dalla costante di spazio λ, ovvero la distanza a cui la depolarizzazione si è attenuata del 37% del valore iniziale (e quindi è diventata trascurabile). Maggiore è la costante di spazio e più lontano arriverà la depolarizzazione propagata dalla propagazione elettrotonica. La costante di spazio dipende dal diametro dell’assone ed è uguale alla radice quadrata del rapporto tra la resistenza di membrana e la resistenza assiale. ܴ௠ ߣ=ඨ ܴ௔ La resistenza di membrana è la misura di quanto è difficile per le cariche attraversare la membrana; più è alta e più la costante di spazio sarà grande perché sarà difficile per le cariche uscire. La resistenza assiale è la misura di quanto è difficile per le cariche muoversi all’interno dell’assone; più è bassa e meglio le cariche si propagano lungo l’assone. Più è largo l’assone e più superficie avranno le cariche per uscire (dunque la Rm diminuisce), ma al tempo stesso più vie interne avranno per propagarsi (dunque anche la Ra diminuisce). In generale a diametri maggiori corrispondono costanti di spazio più lunghe e dunque una maggiore velocità di trasmissione. Un altro fattore che influenza la propagazione del potenziale d’azione è la presenza di una guaina mielinica. La propagazione attiva del potenziale d’azione Mentre la propagazione elettrotonica agisce per qualche micron, la propagazione attiva del potenziale d’azione riesce a propagarsi anche su assoni lunghi un metro. Questo è possibile perché a causa dell’effetto elettrotonico la depolarizzazione del potenziale d’azione si sentirà anche nelle zone limitrofe a quella in cui si è generato il potenziale d’azione; in tali zone il potenziale di membrana è ancora sopra il potenziale di soglia. Nel punto più lontano dal punto di innesco in cui il potenziale di membrana è sopra il potenziale di soglia il potenziale d’azione si rigenera; in questo modo può correre lungo tutto l’assone rigenerandosi continuamente. Nonostante un potenziale d’azione possa viaggiare in entrambe le direzioni dell’assone, normalmente i potenziali d’azione viaggiano a senso unico dal monticolo assonico al terminale sinaptico. La guaina mielinica La guaina mielinica viene prodotta dalle cellule gliali: - gli oligodendriti per il sistema nervoso centrale, - le cellule di Schwan per il sistema nervoso periferico. La mielina è una sostanza lipoproteica e, dato che principalmente è formata da lipidi, funziona da isolante. Non avvolge tutti gli assoni, ma gli assoni mielinati conducono meglio, anche se l’assone è più piccolo di un assone grande ma non mielinato; le due caratteristiche si possono anche sommare in quanto gli assoni più grandi avranno anche guaine mieliniche più spesse. La mielina non ricopre l’assone ininterrottamente, ma ci sono internodi mielinizzati alternati a dei nodi di Ranvier (demielinizzati). Negli internodi mielinizzati ci sono pochissimi canali ionici che invece sono ben presenti sui nodi di Ranvier, soprattutto canali Na Vdip proprio per favorire l’insorgere di un potenziale d’azione. Il potenziale d’azione infatti procede “a salti” sui nodi di Ranvier, poiché le cariche non riescono a uscire dagli internodi che sono isolati dalla mielina. La funzione della mielina è quella di aumentare la resistenza di membrana, ma non ha influenza sulla resistenza assiale; questo fa sì che aumenta la costante di spazio e diminuisce la costante di tempo, che è maggiormente rilevante per la velocità di trasmissione. Oltre alla velocità la mielina migliora altri due aspetti dell’efficacia della conduzione: - migliora la sicurezza di conduzione, - migliora l’economicità di conduzione. La mielina aumenta la resistenza di membrana e dunque riduce la perdita verso l’esterno delle correnti elettrotoniche, rendendo la comunicazione più sicura. Inoltre, aumentando la costante di spazio, grazie alla mielina, la propagazione elettrotonica del potenziale d’azione arriva a toccare anche due o tre nodi di Ranvier alla volta; anche questo influisce sulla sicurezza perché, anche se un nodo è danneggiato, questo non influisce sulla propagazione del segnale. Infine la mielina consente anche un risparmio energetico. Il lavoro – ovvero l’ATP consumata – delle pompe Na/K dipende dalla quantità di cariche che hanno attraversato la membrana durante un potenziale d’azione. Dato che su un assone mielinizzato questo scambio avviene solo sui nodi di Ranvier invece che su tutto l’assone, serve meno energia per ripristinare lo stato iniziale. La membrana come circuito RC (resistivo – capacitivo) Possiamo immaginare la membrana cellulare come uno strato dielettrico (ovvero isolante) fra due soluzioni ioniche conducitive (ovvero con cariche elettriche). In questo senso è sia una resistenza, cioè impedisce il passaggio di cariche, che un condensatore (o capacitore), ovvero riesce a immagazzinare cariche ai suoi bordi (negative all’interno e positive all’esterno). Quando la membrana viene attraversata da una variazione di potenziale, si creano due tipi di corrente: - una resistiva, legata all’apertura o alla chiusura di canali ionici e al conseguente passaggio di cariche, - una capacitiva, legata all’accumulo di cariche sui bordi, accumulo che sarà maggiore ma anche più lungo a realizzarsi quanto più grande sarà la variazione di potenziale. Nonostante queste due correnti siano compresenti, si attiva per prima la corrente capacitiva (che poi influenza quella resistiva). Se viene applicata una corrente alla membrana, questa funziona immediatamente come resistenza opponendo una certa resistenza finché la corrente non viene tolta. Come condensatore invece aumenta il potenziale progressivamente (ovvero tende ad accumulare cariche sulla superficie) e lo diminuisce quando la corrente viene tolta. La risultante di queste due componenti è data dall’iniziale corrente capacitiva dovuta al riarrangiamento delle cariche sulle due facce della membrana e dalla resistenza che aumenta progressivamente in base alle cariche che si riarrangiano. Il tempo necessario perché il potenziale arrivi al 63% del valore finale è detto costante di tempo τ; più è alta la costante di tempo e più tempo impiegherà la membrana a raggiungere un certo valore di potenziale e dunque anche più lentamente si propagherà un potenziale d’azione. La formula della costante di tempo è la seguente: ߬ = ‫ܥ‬௠ ∙ ܴ௠ (Cm = capacità di membrana Rm = resistenza di membrana Più grandi sono questi parametri e più alta sarà la costante di tempo e dunque più lentamente si propagherà il potenziale d’azione.) Le costanti di spazio e di tempo si combinano tra di loro: - più ci si allontana dal punto in cui si è generato il potenziale d’azione e più la sua forza si sarà attenuata, - più ci si allontana dal punto in cui si è generato il potenziale d’azione e più aumenterà la costante di tempo perché la componente capacitiva sarà la stessa ma agirà su segnali più deboli. La trasmissione sinaptica Gli insiemi di neuroni che lavorano tra loro sono detti “circuiti nervosi”. La sinapsi è il punto in cui avviene la trasmissione tra cellule diverse; essa è costituita da - un terminale presinaptico sul terminale assonico (compartimento di uscita), - un vallo sinaptico (lo spazio tra le due cellule), - un terminale postinaptico sui dendriti o sul corpo cellulare (compartimento di entrata). Le sinapsi si dividono in elettriche e chimiche. Sinapsi elettriche Sinapsi chimiche Sono più comuni negli invertebrati; nei vertebrati si Tipiche dei vertebrati. trovano nelle strutture sub-corticali (gli invertebrati non hanno la corteccia cerebrale). Sono caratterizzate da continuità citoplasmatica pre e postinaptica, ovvero i citoplasmi sono in comunicazione attraverso giunzioni comunicanti dette “gap juntions”. Vallo sinaptico di 2-4nm. Vallo sinaptico di 20-40nm. La trasmissione del segnale (elettrica) è istantanea, La trasmissione è più lenta e unidirezionale (dalla può essere bidirezionale e avviene perché gli ioni cellula presinaptica a quella postsinaptica). passano direttamente da un citoplasma all’altro (sono collegati). Vengono passati tutti i tipi di segnale, sia sotto- Vengono trasmessi solo il segnali depolarizzanti soglia (potenziali graduati) che sopra-soglia sopra soglia. (potenziali d’azione), sia polarizzanti che Inoltre tale depolarizzazione può produrre sia una depolarizzanti. depolarizzazione che una iperpolarizzazione nella cellula postinaptica. Vengono utilizzate nella sincronizzazione delle risposte nelle popolazioni neuronali, soprattutto quando sono necessarie risposte massive e immediate (come la fuoriuscita di inchiostro a scopo difensivo nell’Aplysia). Sono veloci. Sono lente. Non consentono un’amplificazione del segnale. Consentono un’amplificazione del segnale e ne permettono una regolazione. La trasmissione nelle sinapsi elettriche Le giunzioni comunicanti nelle sinapsi elettriche (gap juntions) sono due emicanali sovrapposti (detti “connessoni”) uno per ogni cellula e formati da sei unità proteiche (le “connessine”) che, quando si attivano, attraverso un cambiamento conformazionale creano un poro che mette in comunicazione i citoplasmi delle due cellule. Quando diminuisce il Ph e aumenta il Ca tnedono a chiudersi e viceversa. La trasmissione nelle sinapsi chimiche Il funzionamento delle sinapsi chimiche è sostanzialmente basato sulle vescicole sinaptiche presenti sul terminale presinaptico che rilasciano neurotrasmettitori che attraverso il vallo sinaptico vengono poi captate dal terminale postinaptico. I recettori postsinaptici sono di due tipi: ionotropici e metabotropici. Recettori ionotropici Recettori metabotropici Sono collocati all’apertura di un canale (sono Sono accoppiati indirettamente a dei canali per sostanzialmente dei canali ligando dipendenti. mezzo di secondi messaggeri. Hanno una risposta rapida. Hanno una risposta lenta. Consumano meno energia. Consumano più energia. Sono meno modulabili. Sono più modulabili Determinano l’apertura del canale. Possono determinare sia l’apertura che la chiusura di un canale. I recettori post sinaptici vengono denominati in base alla sostanza artificiale che li attiva maggiormente, detta “agonista”; per esempio i recettori dell’aceticolina sono detti “recettori nicotinici” perché la sostanza che li attiva maggiormente è la nicotina. La sostanza che invece blocca l’azione di un recettore viene detta “antagonista”; per esempio per i recettori dell’acetilcolina è il curaro. Terminale presinaptico - Sull’assone sono presenti vescicole sinaptiche, ovvero organelli che contengono neurotrasmettitori. - Un gran numero di vescicole è presente in un area vicina alla membrana cellulare detta “zona attiva”. Infatti alle vescicole è legata la proteina V-SNARE (vescicolar SNARE), mentre sulla membrana sono presenti le proteine T-SNARE (target SNARE); queste due proteine tendono a legarsi tra loro per formare il complesso SNARE. - Le vescicole hanno un’attività continua di rilascio spontaneo di neurotrasmettitori dovuta al fatto che sono vicine alla superficie esterna della cellula e quindi tendono a fare uscire i neurotrasmettitori. Questi rilasci creano dei potenziali postinaptici in miniatura. - All’arrivo di un potenziale d’azione l’inversione di polarità causa l’apertura dei canali Ca HLA. - Entra Ca che viene legato dal complesso SNARE determinando un cambiamento conformazionale che spinge la vescicola verso la membrana fino a farla fondere insieme facendo rilasciare il neurotrasmettitore. Alcune tossine – come la botulinica e la tetanica – bloccano questo processo. - Il neurotrasmettitore viene esocitato. - Le vescicole hanno un rilascio “quantale”, ovvero ogni volta che rilasciano il neurotrasmettitore hanno un rilascio completo e mai parziale; tutte le vescicole inoltre contengono la stessa quantità di molecole di neurotrasmettitore (per l’acetilcolina ogni vescicola contiene un “quanto”, ovvero circa 5000 molecole). Terminale postinaptico - Le molecole di neurotrasmettitore rilasciate si legano a recettori presenti sul terminale postinaptico. - L’effetto sul recettore postinaptico di de o iperpolarizzazione dipende dal tipo di recettore e non dal neurotrasmettitore. Tale risposta è detta “potenziale postsinaptico eccitatorio o inibitorio” (oppure “potenziale di placca” se si tratta di muscoli). Per esempio per mezzo dei recettori nicotinici dell’acetilcolina presenti sui muscoli il risultato è una depolarizzazione. - I recettori non innescano direttamente un potenziale d’azione ma agiscono su ulteriori canali che possono innescarlo (i canali Na Vdip); se vi è una risposta di depolarizzazione sufficiente si creerà poi un potenziale d’azione. - Quando i canali del terminale postsinaptico si aprono grazie al neurotrasmettitore lo fanno tutti contemporaneamente ma con durate diverse in modo casuale; questo crea un “effetto d’ensemble” per cui c’è un aumento immediato della corrente (tutti si aprono contemporaneamente) che poi diminuisce progressivamente (tutti stanno aperti per durate diverse). - I canali alla fine tornano alla posizione iniziale perché il neurotrasmettitore viene eliminato dal terminale postsinaptico. Vallo sinaptico - Alla fine i neurotrasmettitori presenti nel vallo sinaptico vengono eliminati in tre modi: o degradazione (il neurotrasmettitore viene trasformato in altre sostanze), o diffusione (nel mezzo cellulare), o ricaptazione (la cellula presenaptica o gli astrociti possono fare sifoning, ovvero ricaptare e riciclare). Il potenziale postsinaptico o è mediato da canali ionici ligando dipendenti, o non arriva necessariamente a creare un potenziale d’azione, o può essere graduato, o diminuisce d’intensità quando si propaga. La differenza tra un potenziale postsinaptico e un potenziale d’azione è che quest’ultimo non è graduato ma “tutto o nulla” e che non diminuisce con la propagazione. La corrente associata al potenziale post sinaptico dipende da vari fattori: - il numero dei canali sulla membrana postsinaptica, - la probabilità che i canali siano aperti, - la conduttanza dei canali, - la fem che agisce sugli ioni. Trasmissione eccitatoria e inibitoria Trasmissione eccitatoria (EPSP – Excitatory postsynaptic potential): trasmissione sinaptica la cui attivazione aumenta la probabilità che il neurone postsinaptico produca dei potenziali d’azione. Trasmissione inibitoria (IPSP – Inhibitory postsynaptic potential): trasmissione sinaptica la cui attivazione diminuisce la probabilità che il neurone postsinaptico produca dei potenziali d’azione. Trasmissione eccitatoria (EPSP) Trasmissione inibitoria (IPSP) - Generalmente determina una - Generalmente determina una depolarizzazione nel neurone iperpolarizzazione nel neurone postsinaptico. postsinaptico. - Nel SNC il neuro trasmettitore delle sinapsi - I neurotrasmettitori che determinano una eccitatorie è il glutammato (Glu) mentre risposta inibitoria sono la glicina nelle nelle sinapsi neuromuscolari è l’acetilcolina strutture sottocorticali e il GABA (acido (ACh). gamma-ammino-butirrico) in quelle corticali. - Le membrane che rispondono con - Le membrane che rispondono con un’eccitazione hanno canali con un un’inibizione hanno canali con un potenziale di inversione ≥0mV5 e che potenziale di inversione di -70mV e che quando si aprono inducono una quando si aprono inducono una depolarizzazione. iperpolarizzazione. Faczciamo un esempio di funzionamento: il Facciamo un esempio di funzionamento: i potenziale di membrana a riposo è di canali legati a recettori GABA sono selettivi -65mV; quando questi canali si aprono, dato per il cloro; quando si aprono, dato che il che il potenziale di equilibrio del sodio è potenziale di membrana a riposo è di - +55mV, faranno entrare tanto sodio 65mV ma il cloro ha un potenziale di determinando una forte depolarizzazione equilibrio di -75mV, questi canali faranno perché questi canali tenderanno a far entrare un po’ di cloro che determinerà una raggiungere alla membrana il loro leggera iperpolarizzazione. potenziale di equilibrio che però è superiore al potenziale di soglia dunque è possibile che si generi un potenziale d’azione. - Sono dunque le correnti sodio a - Sono dunque le correnti cloro a determinare una risposta eccitatoria. determinare una risposta inibitoria. - Il principale neurotrasmettitore eccitatorio - Il principale neurotrasmettitore inibitorio è è il glutammato. il GABA. I recettori del GABA sono detti: - GABA-A (ionotropico), - GABA-B (metabotropico) e sono entrambi inibitori. 5 In questo caso è stato usato il termine “potenziale di inversione” in riferimento al potenziale in cui il flusso nel canale si inverte (cosa impossibile se non sperimentalmente), ma è il “potenziale di equilibrio” (vedi al proposito il capitolo sulle curve elettriche di voltaggio. Il codice nervoso Il codice nervoso è costituito da tutti i sistemi con cui le informazioni sensoriali vengono codificate sotto forma di impulsi nervosi. A seconda dell’intensità e della durata dello stimolo a livello del recettore sensoriale si formano dei potenziali graduati detti “potenziali di recettore”. Tanto più lo stimolo sarà intenso e tanto più il potenziale graduato sarà potente, fino ad essere superiore al potenziale di soglia, producendo una serie di potenziali d’azione; tanto più lo stimolo sarà lungo e tanto più lungo sarà il tempo per cui questi potenziali d’azione saranno prodotti. Questi potenziali d’azione arrivano alla terminazione sinaptica del neurone legato al recettore sensoriale e inducono la liberazione dei neurotrasmettitori e un conseguente stimolo sulla cellula postsinaptica; la quantità di neurotrasmettitori liberati dipende dall’intensità e dalla durata dello stimolo. Codice di frequenza La frequenza di scarica dei potenziali d’azione dipende dal rapporto tra l’attività sinaptica eccitatoria e inibitoria che variano il potenziale di membrana favorendo o meno l’insorgere di potenziali d’azione. La frequenza però è costante e quindi dà troppe poche informazioni per poter spiegare le reazioni quasi immediate di cui siamo capaci di fronte a uno stimolo. Il codice di frequenza non è dunque sufficiente. Codice di temporizzazione (o timing) Oltre al codice di frequenza esiste anche il codice di temporizzazione o timing che sfrutta il fatto che, parallelamente alle attività eccitatorie date dallo stimolo sensoriale, sono presenti anche attività inibitorie che saltuariamente inibiranno l’insorgere di potenziali d’azione creando delle pause nella regolare frequenza data dal codice di frequenza. Tali pause sono dette ISI, Inter Spiking Interval. In questo modo è possibile fornire più informazioni perché, oltre alla regolare frequenza, sono presenti degli ISI che possono essere codificati in base - alle variazioni degli ISI tra i treni di potenziali d’azione, - alla frequenza degli ISI all’interno dei treni stessi. Il codice di frequenza e quello di temporizzazione lavorano dunque insieme. Codice di frequenza Codice di temporizzazione - ISI costante - ISI variabile - Informazioni grossolane - Informazioni precise - Basato sulle afferenze eccitatorie - Basato sulle afferenze inibitorie Collocazione dei contatti sinaptici Oltre alla temporizzazione conta anche la collocazione di contatti sinaptici all’interno dei neuroni. Dato che il verso della trasmissione è dai dendriti all’assone, le sinapsi eccitatorie tenderanno a essere sull’albero dendritico e sul soma, mentre quelle inibitorie sul soma e sul monticolo assonico. In generale se un’afferenza eccitatorie è a monte di una inibitoria, quest’ultima agirà un processo di “source sink” (“scarico della sorgente”) ovvero “risucchierà” la corrente eccitatoria abolendone l’effetto. Una sinapsi inibitoria sul monticolo assonico avrà dunque un forte potere di blocco in quanto più a valle di qualsiasi altra sinapsi eccitatoria. Come viene prodotto un neurotrasmettitore (Acetilcolina) L’acetilcolina è una molecola composta da un gruppo acetile e colina. Il gruppo acetile viene prodotto nei mitocontri e immesso nel citoplasma legato al coenzima-A creando un composto detto “acetilcoenzima-A”. La colina è già presente nel citoplasma. La colin-acetil-trasnferasi (CAT) catalizza la produzione di acetilcolina staccando il gruppo acetile dall’acetilcoenzima-A e legandolo alla colina. Si creano così acetilcolina e coenzima-A (che torna nei mitocontri). L’acetilcolina viene pompata dentro le vescicole sinaptiche pronta per essere esocitata. Una volta esocitata, l’acetilcolina si lega al recettore post sinaptico fino a quando non viene idrolizzata dall’acetilcolinesterasi, una proteina di membrana presente nella cellula postsinaptica che scinde l’acetilcolina in acetato e colina. L’acetato si disperde mentre la colina viene ricaptata all’interno della cellula. Il GABA invece viene prodotto a partire dal glutammato grazie all’azione del acido glutammico- decarbossilasi. La trasmissione sinaptica indiretta o a secondo messaggero o con recettori metabotropici Un recettore metabotropico è un recettore indiretto in quanto la proteina che funge da recettore non determina direttamente l’apertura del canale (come nei recettori ionotropici), ma libera un enzima che agisce sul lato intracellulare del canale inducendone vari cambiamenti. Il processo ha inizio quando un segnale esterno determina la liberazione di un neurotrasmettitore (detto “primo messaggero”). All’arrivo del neurotrasmettitore il recettore (una proteina) - che era inattivo – si attiva e a sua volta attiva il trasduttore. Il trasduttore è una proteina collocata sul lato interno della membrana cellulare formato tra proteine G- trimeriche, chiamate così perché fanno parte del GTP (guanosintrifosfato) e del GDP (guanosindifosfato) e perché sono composte da tre subunità α, β e γ. Il GTP è un acido nucleico (una sostanza energetica che ha come base la guanosina) collocato sul lato interno del trasduttore. Quando il trasduttore si attiva, si determina un cambiamento conformazionale che fa sì che le subunità β e γ della proteina G rimangano attaccate al trasduttore, mentre la subunità α si stacca. La subunità α va ad attivare l’effettore primario, quindi torna sul trasduttore dove si riunisce con le subunità β e γ. L’effettore primario rilascia il cosiddetto “secondo messaggero”, un enzima che ha effetto sull’effettore secondario. Spesso l’effettore secondario è una protein-chinasi, ovvero un enzima che lega i gruppi fosfato a un canale a controllo di fosforilazione. Il sistema metabotropico produce dunque effetti molto vari: - permette l’amplificazione del segnale, perché per esempio ogni effettore primario può produrre tanti enzimi che a loro volta attivano tanti canali; - è modulabile perché ogni passaggio può essere modulato ed è inoltre influenzato in generale dal metabolismo più o meno attivo della cellula; - può determinare l’apertura, la chiusura o anche il blocco di un canale. Il bersaglio privilegiato della trasmissione sinaptica a secondo messaggero sono i canali potassio che vengono chiusi: - i canali K passivi (sarà più facile creare una depolarizzazione), - i canali K Vdip (sarà più facile creare un potenziale d’azione perché il ciclo a feedback positivo del Na non sarà ostacolato da quello a feedback negativo del K), - i canali K CaDip (viene rimosso l’adattamento), - i canali K CaDip HVA (ad alta soglia di attivazione) (non entra calcio che si lega poi al gruppo SNARE e quindi non vengono rilasciati ulteriori neurotrasmettitori). Trasmissione sinaptica glutamatergica – I recettori NON-NMDA e NMDA I recettori NON-NMDA e NMDA sono i recettori ionotropici del glutammato. L’NMDA (n-metil-d-aspartato) è un amminoacido che è il principale antagonista dei recettori NMDA (da cui il nome), mentre non ha effetto sui recettori NON-NMDA. Recettori NON-NMDA Recettori NMDA L’esposizione al NMDA non produce nessun effetto. L’NMDA è il principale antagonista di questi Sono invece chiamati ANPA o kainato dal nome del recettori. loro principale antagonista. Sono semplici. Sono complessi. Reagiscono al glutammato. Reagiscono al glutammato ma anche alla glicina (anche se quest’ultimo nella corteccia è sempre saturato). Inoltre hanno anche dei recettori interni per lo zinco (sempre saturati) e per il magnesio. Se non è presente il glutammato sono chiusi. Se non è presente il glutammato sono aperti. Sono selettivi per Na e K. Sono selettivi per Na, K e anche Ca. Sono di tipo eccitatorio. Sono di tipo eccitatorio. Sono più veloci ad aprirsi e a chiudersi. Sono più lenti ad aprirsi e a chiudersi. I recettori NMDA Il funzionamento dei recettori NMDA è complesso. In situazione di riposo all’interno del poro acquoso del canale e vicino al filtro di selettività è presente un recettore per il Mg; dato che il magnesio è uno ione positivo e che gli ioni per cui è selettivo il canale (Na, K e Ca) sono tutti positivi, finché il recettore del Mg è saturato, il poro è tappato. Se però l’interno della cellula diventa positivo (ovvero c’è un’inversione di polarità), allora questo effetto respinge il magnesio e stappa il poro acquoso. Perché il canale sia aperto sono dunque necessarie due condizioni: il voltaggio positivo e l’assenza dello ione Mg. I canali legati a recettori NMDA sono dunque sia ligando che voltaggio dipendenti. La cosa interessante è che queste due condizioni sono determinate dall’azione contemporanea sia della cellula presinaptica che di quella postsinaptica. Perché si crei un’inversione nella cellula postsinaptica è infatti necessario che nella presinaptica ci sia stato un potenziale d’azione che ha determinato il rilascio di glutammato che a sua volta ha determinato un potenziale d’azione nella cellula postsinaptica e quindi il rilascio dello ione Mg nel recettore NMDA. Per questo motivo i recettori NMDA sono detti “detettori di correlazione” in quanto rilevano una contemporanea attivazione sia del pre che del post sinaptico. Il detettore di correlazione era stato ipotizzato da Hebb che aveva capito che “cells that fire togheter, wire together”, ma ancora non aveva identificato quale recettore fungesse da detettore. L’ipotesi di Hebb è alla base della plasticità hebbiana, ovvero di come i circuiti neuronali si modificano in modo da formare nuove reti neuronali grazie alla capacità di legare insieme neuroni che producono potenziali d’azione contemporaneamente. Il segnale di questo evento è l’ingresso di calcio nel postsinaptico attraverso il canale ora aperto. La neuromodulazione Alcuni neurotrasmettitori hanno recettori sia ionotropici che metabotropici (per esempio i recettori del GABA sono sia GABA-A ionotropici che GABA-B metabotropici). Esistono però neurotrasmettitori che sono esclusivamente metabotropici e che sono detti “neuromodulatori” e il loro effetto “neuromodulazione”. Il loro effetto postsinaptico è piccolo, ma molto significativo perché riesce ad alterare significativamente gli effetti dei neurotrasmettitori. Un esempio lo possiamo vedere riguardo ai neuroni nocicettivi. Il dolore può essere soppresso grazie agli oppioidi endogeni come l’encefalina che - oltre a bloccare i canali Ca nel presinaptico e dunque a impedire a questi ioni di legarsi al complesso SNARE e permettere l’esocitazione dei neurotrasmettitori - sul postsinaptico iperpolarizza leggermente la membrana e dunque rende più difficile raggiungere il potenziale di soglia e creare un potenziale d’azione. L’encefalina ha un effetto piccolo sul post sinaptico, ma è un effetto che riesce a impedirne uno ben più grande, come la depolarizzazione che sarebbe stata indotta normalmente dal neurotrasmettitore. I sistemi a proiezione diffusa I sistemi a proiezione diffusa sono una serie di sistemi che rilasciano neuromodulatori caratterizzati dal fatto che partono da parti specifiche dell’encefalo le cui proiezioni si riversano poi in buona parte dell’encefalo e ù del midollo spinale. I sistemi a proiezione diffusa sono - il sistema dopaminergico, - il sistema noradrenergico, - il sistema serotoninergico, - il sistema colinergico. Il sistema dopaminergico La dopamina viene prodotta in due zone dell’encefalo: la substantia nigra pars compacta e l’area tegumentale ventrale. In particolare la substantia nigra proietta in molte zone corticali – tra cui la corteccia prefrontale – e sotto corticali – come i nuclei della base. L’area tegumentale ventrale invece proietta principalmente nei nuclei della base. La dopamina ha molte funzioni: il movimento, la motivazione nel raggiungimento di un obiettivo, l’aspettativa di una ricompensa. Il sistema noradrenergico La noradrenalina viene prodotta soprattutto nelle situazioni di pericolo nel locus ceruleus. Il locus ceruleus proietta in buona parte dell’encefalo e del midollo spinale. Il sistema serotoninergico La serotonina viene prodotta all’interno dei nuclei della base (nella formazione reticolare); si dividono in rostrali – che proiettano nell’encefalo – e caudali – che proiettano nel midollo spinale. La serotonina ha molte funzioni tra cui quella del mantenimento del tono dell’umore. Il sistema colinergico Il sistema colinergico è quello dell’acetilcolina che viene prodotta dal nucleo basale – che proietta in ampie zone dell’encefalo – e dal nucleo peduncolo pontino – che proietta specificatamente nel talamo. L’acetilcolina ha molte funzioni tra cui quella del mantenimento dell’attenzione. I recettori dei neuromodulatori sono anche bersaglio di farmaci e sostanze da dipendenza. Serotonina: SSRI (inibitori selettivi della ricaptazione della serotonina). Dopamina: antipsicotici e neurolettici. Noradrenalina, dopamina, serotonina: cocaina, amfetamine, antidepressivi triciclici. Per esempio i farmaci che aumentano la produzione di dopamina (per esempio quelli per il Parkinson) possono però avere l’effetto di favorire anche episodi psicotici. Integrazione dei segnali nervosi Un neurone può avere decine di migliaia di sinapsi in ingresso le quali possono produrre potenziali graduati, variare il potenziale di soglia o determinare l’insorgere di un potenziale d’azione; tuttavia il neurone ha una sola uscita – l’assone – che può solo trasmettere dei potenziali d’azione e non dei potenziali graduati. La funzione dell’integrazione dei diversi segnali nervosi non può essere solo quella di generare un potenziale d’azione, altrimenti si tratterebbe di una semplice ritrasmissione di un segnale ricevuto in ingresso. Il processo di integrazione dei segnali nervosi è tutto il sistema di elaborazione in seguito al quale il neurone “decide” se generare un potenziale d’azione, con quale frequenza e con quale temporizzazione. Nell’integrare i vari input sinaptici sono molto importanti la costante di tempo e quella di spazio. Una costante di tempo e di spazio più grandi faranno infatti sì che due segnali sufficientemente ravvicinati riescano a sommarsi tra di loro. Inoltre riguardo a tale aspetto è molto importante dove sono localizzate le sinapsi (che possono fare source sinking). La plasticità sinaptica o neurale La plasticità sinaptica o neurale è un fenomeno presente in tutto il SNC ma in particolar modo a livello della corteccia. Essa contribuisce - allo sviluppo del cervello, - alla modificazione dei comportamenti, - alla creazione di memorie. Sostanzialmente si tratta di una modificazione dell’efficacia delle sinapsi o della creazione o dismissione di nuovi circuiti neuronali.