Introduzione ai Fondamenti di Psicobiologia - PDF

FONDAMENTI: FONDAMENTI: LEZIONE PRIMA LEZIONE DI INTRODUZIONE (1° ottobre 2020) LA PSICOBIOLOGIA Il corso si basa sulla psicobiologia, la quale si propone di comprendere le basi biologiche del comportamento e di tutti i processi mentali che ci conducono...

FONDAMENTI: FONDAMENTI: LEZIONE PRIMA LEZIONE DI INTRODUZIONE (1° ottobre 2020) LA PSICOBIOLOGIA Il corso si basa sulla psicobiologia, la quale si propone di comprendere le basi biologiche del comportamento e di tutti i processi mentali che ci conducono a fare una determina azione, si parla quindi di ‘decision making’. Per fare questo la psicobiologia deve utilizzare processi complessi, infatti questi vengono suddivisi in vari livelli di difficoltà: parte dall’osservazione del comportamento (macroscopico) e arriva fino all’osservazione delle singole cellule nervose (microscopico), le moderne tecniche infatti hanno dimostrato che a ogni nostra azione corrisponde una determinata area celebrale, tutte le nostre capacità dipendono infatti dal cervello. LE CELLULE NERVOSE: I NEURONI I neuroni sono connessi tra di loro tramite le sinapsi. Per esempio nel primo caso possiamo vedere un neurone pre-sinaptico, nel secondo caso vediamo un neurone post-sinaptico, essi sono strettamente connessi da ‘piedi’ dei neuroni che sono proprio le sinapsi. Nell’immagine accanto vediamo il neurone nella sua interezza, queste sono cellule che una volta degenerate non riescono a riformarsi. È importante per questo motivo evitare di consumare alcolici o assumere droghe che possano andare a influire nella nostra attività cerebrale, perciò una volta che i neuroni vengono ‘bruciati’ essi non si andranno a rigenerare. In questa foto vediamo un esperimento di Camillo Golgi, colorò la rete di neuroni facendoci vedere come essi siano strettamente legati tra di loro. Possiamo quindi affermare che l’insieme di un gruppo di neurni connessi tra loro sinapticamente costituisce un sistema nervoso. Il nostro comportamento dipende dall’attivazione coordinata di molteplici circuiti nervosi ed è proprio il loro modo di agire a regolare la nostra percezione e il nostro giudizio delle cose: io posso trovare una cosa attraente che magari al mio amico non piace. → la realtà è soggettiva perché è una creazione del nostro cervello. I nostri cervelli sono leggermente diversi e questo dipende da come si sono formati i nostri circuiti nervosi ma soprattutto da come si sono sviluppati, vedremo che l’esperienza ne è la chiave. ESEMPIO PRATICO: se osservo questi due rettangoli, quello a sinistra apparirà inevitabilmente più scuro Ma se io agli stessi due rettangoli sovrappongo un terzo rettangolo questi sranno uguali Questo accade perché in realtà i rettangoli sono dello stesso colore ai loro estremi e il distacco si avverte solo al ‘bordo’, se io lo copro essi saranno uguali. AREE CEREBRALI E LE LORO FUNZIONI Possiamo vedere varie aree cerebrali, innanzitutto il cervello si divide in due emisferi, quello destro e quello sinistro, separati dalla fessura interemisferica ma collegati stettamente tra fibre nervose. Ciascun emisfero ha 4 lobi: frontale, parietale, temporale ed occipitale, ognuno diviso da dei solchi. Le aree più importanti sono: la corteccia uditiva primaria, corteccia uditiva primaria, corteccia motoria e corteccia somatosensoriale (percepire il tatto e il calore). Ci sono poi strutture non visbili perché sono interne al cervello (ippocampo, amigdala..) Per capire come vengono interessate le diverse aree cerebrali possiamo fare 4 esempi: A) Nella prima immagine vediamo un soggetto che ossserva: qui si attiva un’area del cervello del lobo occipitale chiamata corteccia visiva primaria B) Nella seconda immagine il soggetto ascolta e comprende le parole e per questo le aree osservate sono ben due, l’area di Wernicke o area posteriore del linguaggio ci consente di capire le parole ma lo fa solo in stretta connessione con la corteccia uditiva primaria che invece ci consente di sentire le parole. C) Nella terza immagine vediamo un soggetto alla guida dell’auto che deve cambiare strada a casua di uno sbarramento. La sua capacità di orintarsi e di creare un percorso alternativo, dipende da quest’area di cervello chiamata ippocampo, è molto importante per la pianificazione e per la memoria spaziale D) Nella quarta immagine vediamo un soggetto che ascolta un brano musicale significativo per lui/lei, a volte capita che vengan pure i brividi causati dall’emozione, quest’area colora di piacevolezza la nostra vita, si attiva quando siamo felici, quando proviam piacere o forti emozioni magari legate all’affetto ecc.. si chiama nucleo Accumbense se ascolto un brano qualsiasi che non è particolarmente significativo, essa non si attiva. STORIA: Durante la storia ovviamente c’è stata un’evoluzione nella mappatura del cervello, basti pensare a questa mappatura del 1820, creata senza logica e senza conoscenze anatomiche, tuttavia fu contestata molto facilmente a causa della mancanza di prove seguite per fare questa mappatura. Il linguaggio viene posto sotto l’occhio, la benevolenza nel lobo frontale e l’amore paterno e materno nel lobo occipitale. Questa localizzazione venne fatta da Gall e venne chiamata Frenologia, ad essa si oppone Fluorens con la sua teoria ‘tutto il cervello si occupa di tutte le funzioni’, come se non ci fosse una divisione tra le parti. Nel dibattito successivo arriveremo ad una soluzione ‘definitiva’, dettata anche da Wernicke: i neuroni si connettono precisamente formando gruppi funzionali specifici. LESIONI CEREBRALI È importante capire che una lesione che interessa un area precisa del cervello, come magari quella della memoria, non influenza le altri parti del cervello. ESEMPIO: THE FEARLESS WOMAN, la donna senza paura, questo è il raro caso di una donna SM con l’amigdala (area cerebrale) lesionata, questo soggetto non provava l’emozione della paura, ma sapeva descrivere chiaramente cosa le era accaduto e anche le altre sensazioni da lei provate LE AFASIE (LESIONI CEREBRALI DELLE AREE DEL LINGUAGGIO) L’afasia di BROCA: i soggetti non sanno articolare le frasi e il linguaggio, a volte non riescono a pronunciare nemmeno una singola parola, altre volte non riescono a formare delle frasi, tuttavia comprendono il linguaggio degli altri!! L’afasia di WERNICKE: i soggetti sanno parlare, anzi spesso tendono ad essere logorroici, ma non sanno comprendere il linguaggio degli altri e spesso creano discorsi senza senso.  L’afasia di CONDUZIONE: vengono invertite o sostituite le parole o le lettere in determinate frasi e discorsi , viene compreso il linguaggio. Viene chiamata di conduzione perché manca la connessione tra l’area di Broca e quella di Wernicke, infatti è lesionato il fascicolo arcuato che le mette in connessione tra di loro Qui possiamo vedere il fascicolo arcuato che collega queste due importantissime aree, come vediamo si trova proprio nella zona blu che è stata lesionata interessando sia il linguaggio che la comprensione delle parole. L’afasia GLOBALE: essendo globale essa interessa la maggior parte dell’area del linguaggio quindi non si comprendono e non si producono le parole e le lettere. Ovviamente queste non sono le uniche aree del linguaggio esistenti, basti pensare che solo nel lobo frontale sinistro ne possiamo trovare altre cinque!! È molto interessante inoltre osservare il dibattito riguardante i confini dell’area di Broca, essa sembra andare molto oltre il linguaggio, interessando anche l’area motoria, lesioni di aree confinanti ad essa possono portare infatti ad Afasia. (leggi studio sulle slide di introduzione al corso). LE AREE DI BRODMANN k.Brodmann è uno studioso importantissimo per la mappatura della mente: fece una suddivisione della mente basata su criteri citoarchitettonici (struttura delle cellule). Le ha classificate solo in base a concetti anatomici ma la cosa interessante è che effettivamente ogni area anatomica corrisponde ad una funzione diversa → ne ha classificate addirittura 52. L’anatomia di ciascun area caratterizza la funzione di essa: se una zona ha uno strato esterno molto spesso, essa corrisponderà ad una cellula di ‘proiezione’ appunto verso l’esterno. -17 e 18 sono le aree visive -37 e 20 servono per riconoscere volti e oggetti (lobo temporale Inf.) -44 e 45 area di Broca -22 area di Wernicke METAFORA: THE ENCHANTED LOOM E’importante studiare le nostre cellule nervose altrimenti non capiamo quali sono i procedimenti utilizzati dalle nostre aree cerebrali: come fa l’ippocampo a elaborare e memorizzare il mio percorso da A a B? questo lo capiremo solo con lo studio delle cellule ippocampali di Henry Moleyson. La metafora recita: la massa cerebrale diventa un telaio incantato dove milioni di spolette lampeggianti viaggiano all’interno di una rete, creando un disegno temporaneo che ha sempre un senso ma è effimero. Questa ci fa capire la nostra struttura cerebrale, formata da: -100 miliardi di neuroni -1000 ingressi sinaptici per neurone -600 milioni di connessioni su mm3 -miliardi di circuiti nervosi Spieghiamo la metafora: le spolette lampeggianti sono dei segnali nervosi che viaggiano su assoni precisi in tempi precisi necessari per ogni comportamento. Perché il disegno è effimero? Lo è perché ad ogni comportamento segue una nuova azione che ha bisogno di un nuovo disegno. Per questo l’azione deve essere rapida e specifica. (esempio: ricordarsi una coppia di parole). FREQUENZA DEI NEURONI Esiste un momento in cui le cellule sono massimamente attive e uno in cui sono minimamente attive,ognuna ha i suoi tempi e le sue frequenze: per una maggiore efficienza è utile che le cellule abbiano la stessa frequenza. Immaginiamo le cellule come ad un coro di cantanti, il miglior accordo si avrà quando saranno tutti intonati nel medesimo momento, io posso infatti sforzare la loro sincronia per avere delle prestazioni migliori.  FONDAMENTI: PRIMA LEZIONE (5 ottobre 2020) I NEURONI Un neurone è una cellula nervosa che sta alla base della neurofisiologia, potremmo dire che è una sorta di unità funzionale del sistema nervoso. Essendo una cellula essa deve possedere un corpo cellulare, in questo caso è chiamato Soma, all’interno del corpo cellulare possiamo trovare il nucleo. Altre parti fondamentali del neurone sono i Neuriti: dendriti apicali in alto e basali in basso (numerosi) e l’assone (unico) che porta l’informazione tra due cellule, i dendriti funzionano da input (verso il neurone) invece l’assone da output (fuori dal neurone), infatti l’assone è il filo conduttore di corrente elettrica tra due cellule. Esiste poi un monticoloo assonico, detto anche cono di emergenza (è il punto da dove nasce il monticoloo partendo dal corpo cellulare) dove avviene l’integrazione del segnale e la nascita di un potenziale d’azione elettrico. La parte finale dell’assone si chiama terminale assonico e trasmette le informazioni alla cellula seguente. Ovviamente ci sono molte tipologie diverse di neuroni, questo accanto è detto neurone piramidale (poi, per esempio, esistono neuroni mielinici che posseggono anche una guaina mielinica) e ognuno ha delle caratteristiche diverse, tuttavia rimangono uguali alcune funzioni comuni: -compartimento d’ingresso → dendriti apicali e corpo cellulare (riceve l’info) -compartimento d’integrazione → corpo cellulare e monticoloo (integra il segnale ricevuto e il segnale da trasmettere, generare l’output) -compartimento di conduzione → assone (trasmettere segnale da c. di integrazione e c. di uscita, quindi da monticoloo al terminale: NB → i dendriti possono solo ricevere l’info) -compartimento d’uscita → terminale assonico (secrezione, informazione alla cellula suc.) LE CELLULE GLIALI Il sistema nervoso è diviso in centrale (SNC: encefalo e midollo spinale) e periferico (vari nervi, gangli periferici e sistema autonomo), ed è formato da diversi tipi di cellule oltre ai neuroni (che tra l’altro sono in quantità molto maggiore rispetto ai neuroni): -Glie (cellule gliali): producono mielina e sono Cellule di Schwann (nel sistema nervoso periferico) e gli oligodendrociti (nell’SNC) -Astrociti: svolgono un ruolo di supporto strutturale cellulare e si occupano di mantenere l’omeostasi (giusta quantità ionica e di nutrienti), è un supporto di tipo trofico cioè mantengono la giusta nutrizione del neurone. Si occupano anche del copling neuro vascolare (se il neurone lavora di più, l’astrocita se ne accorge e induce il vaso sanguigno più vicino ad aumentare il flusso sanguino e quindi a dare più nutrimento). -Microglie: hanno una funzione immunitaria, difendono i neuroni dalle infezioni I SEGNALI NERVOSI I segnali che arrivano/vengono generati dai neuroni sono di tipo sia elettrico che chimico quindi sono elettro-chimici, generalmente rileviamo la componente elettrica perché è più facile da calcolare rispetto alla chimica. Ma come si registrano i segnali elettrici neuronali? Microelelettrodi intra od extra cellulari (stessi principi fisici dell’elettrotecnica, es: c’è una differenza di potenziale tra due capi di una batteria che è la stessa che troviamo tra le due facce della membrana cellulare) ecco come funzionano → IL POTENZIALE DI MEMBRANA A RIPOSO questo è un Voltmetro: lo strumento che viene utilizzato per calcolare la differenza di potenziale tra due poli di una classica pila. Per le cellule lo strumento è molto simile, i microelettrodi sono degli strumenti fatti di vetro che bucano la cellula. Vm (differenza di potenziale della membrana) si misura con due elettrodi: ▪ un microelettrodo di vetro molto sottile riempito di soluzione salina KCl (cloruro di potassio) che funge da elettrolita e trasporta il segnale elettrico, e contenente un filo di argento clorurato che elimina il potenziale di solubilizzazione, in contatto con l’amplificatore (elettrodo interno). ▪ un elettrodo metallico di Ag-AgCl (argento e argento clorurato) meno sottile e viene immerso nel liquido extracellulare (elettrodo esterno). Nel primo caso vediamo che il microelettrodo non è penetrato all’interno della cellula, ma solo nel ‘bagno’ della cellula, cioè nel liquido extracellulare, qui la differenza di potenziale sarà uguale a zero questo accade perché sono in una situazione dove non c’è ancora differenza tra i potenziali (isopotenziale= stesso potenziale). Nel secondo caso, quando vado ad inserire il microelettrodo interno, mi trovo un abbassamento del potenziale misurato, questo accade perché ho due potenziali diversi alle facce della membrana: quello intracellulare e quello extracellulare; qui ci sarà una differenza di potenziale data dalla formula: Vm= Vi – Ve, tuttavia, per convenzione considero Ve nullo, quindi la mia differenza di potenziale sarà esattamente uguale al potenziale all’ Interno della cellula → Vm= Vi È importante considerare alcune cose → PROPRIETÀ DEL POTENZIALE DI MEMBRANA A RIPOSO: 1) il potenziale di membrana a riposo (Vm) delle cellule animali che è stato calcolato, risulta essere negativo e varia tra –40 e –100 mV, Vm a riposo nelle cellule NEURONALI è intorno ai -60/-65 mV 2) Vm non varia se la pipetta penetra più profondamente nell’interno della cellula (potenziale uniforme), non serve a niente spingere la pipetta perché la cellula ha lo stesso valore di potenziale in tutte le sue parti, l’interno della cellula a riposo è isopotenziale. 3) la differenza di potenziale costituisce una sorgente energetica, infatti possiamo ricavare dal V una certa quantità di energia potenziale utile per svolgere determinate reazioni biochimiche o per generare fenomeni attivi di membrana cioè i segnali neuronali. A cosa è dovuto il potenziale di membrana? Le particelle in rosa con il + indicano i cationi positivi (disposti all’esterno della cellula) mentre le particelle blu con il – indicano gli anioni negativi (disposti all’interno della cellula), come vediamo dalla foto esse tendono a posizionarsi ai lati (sia interno che esterno) della membrana, questo accade perché la membrana è composta da proteine e lipidi, quest’ultimi fungono da capacitori, cioè da dielettrico che impedisce il passaggio di ioni, una sorta di guaina isolante che avvolge la cellula. Per la legge della neutralità della cellula, il numero di cationi e il numero di anioni deve essere uguale. I movimenti di queste particelle sono legati a due leggi fisiche che li fanno muovere: la differenza di concentrazione e la presenza di una carica elettrica opposta Come vediamo: seguono il gradiente: verso gradiente!! Infatti, secondo la concentrazione: si spostano da dove ce n’è più a dove ce n’è meno, secondo la carica elettrica si spostano dalla parte opposta alla loro carica (secondo gradiente elettrico), cioè se sono positivi si allontanano dal polo positivo andando verso quello negativo e viceversa. (opposti si attraggono/simili si respingono). Vediamo come agisce il gradiente elettrochimico: abbiamo due soluzioni ioniche e una membrana che permette il passaggio solo al potassio. Le caratteristiche fondamentali per mantenere un potenziale di membrana sono due: ci deve essere una differenza di concentrazione tra i due lati e una membrana selettivamente permeabile ad un solo ione: vediamo il caso di K+, nella prima immagine non c’è differenza di concentrazione tra i due lati e quindi il nostro V risulta essere uguale a zero, cioè non si creerà, infatti è una situazione di equilibrio. Nella seconda immagine vediamo una concentrazione dieci volte maggiore di potassio nella parte destra rispetto alla parte sinistra, vedremo un flusso di k+ da destra a sinistra secondo gradiente, si crea una differenza di potenziale che spingerà il potassio tra i due lati finché non si avrà una situazione di equilibro. Nell’ultimo caso abbiamo raggiunto una sorta di equilibrio tra gradiente elettrico e chimico perché k+ va sia verso destra (per differenza di potenziale) che verso sinistra (per differenza di concentrazione), tuttavia non possiamo dire che V è nullo come nel primo caso perché k continua a muoversi, c’è una differenza sia di potenziale che di concentrazione. Ovviamente visto che la membrana fa passare solo K+ avremo un accumulo di Cl- quindi non si parla di equilibrio!! ALL’INTERNO DELLA CELLULA All’interno del neurone ci sono anioni negativi immobili (proteine e solfati) che non riescono ad uscire perché non sono permeabili nella membrana, sia dentro che fuori troviamo cloro e potassio: per raggiungere una neutralità elettrica delle soluzioni le cariche positive devono essere circa uguali a quelle negative, avremo due differenti situazioni: [K+]int=[Cl-]int + [A-] int questo è quello che accade agli anioni interni alla cellula [K+] ext=[Cl-]ext questo è quello che accade all’esterno della cellula Come vediamo ci saranno più ioni K+ dentro alla cellula che fuori dalla cellula e quindi tende a voler uscire per raggiungere il giusto gradiente di concentrazione, tuttavia, avrà una spinta opposta che lo vuole fare entrare in base al gradiente di potenziale. Si avrà quindi una situazione di equilibrio in cui il potassio tenderà ad entrare per gradiente elettrico e ad uscire per gradiente di concentrazione → avremo una differenza di potenziale in questo caso stabile. All’equilibrio il flusso netto di potassio attraverso la membrana = 0. I valori di gradiente elettrico e gradiente di concentrazione a cui si raggiunge l’equilibrio per una specie ionica I sono legati tra loro dalla legge di Nernst Vext -Vint = -RT/zF * ln[C]ext/[C]int (tradotto: la differenza di potenziale tra l’esterno e l’interno è dato da RT diviso ZF per il logaritmo in base naturale della concentrazione esterna diviso la concentrazione interna) R= costante dei gas F= costante di Faraday z= valenza ionica T= temperatura in gradi assoluti Kelvin L’uomo che è una specie endoterma a 25 gradi avrà una differenza di potenziale di 58mV, l’equazione può essere semplificata: V equilibrio= cost x log [I]ext/[I]int questa formula utilizza invece la concentrazione di un solo ione, cioè riguarda membrane permeabili ad un solo ione. Il potenziale di equilibrio di una determinata specie ionica I si abbrevia così: EI → quando la membrana avrà un voltaggio uguale al voltaggio di Nerst, parleremo di equilibrio di Nerst, tanti ioni entreranno tanti ioni usciranno, i flussi ionici di un determinato ione sono nulli → situazione per una sola specie ionica!! Esempio: Se la membrana è permeabile ad un singolo ione, l’eq. di Nernst predice il potenziale di riposo della cellula → Le cellule gliali seguono benissimo le leggi di Nerst (linea verde grafico power point) hanno permeabilità solo al potassio: se una membrana è permeabile ad una [K]ext = 20 mM potassio all’esterno sola specie ionica, ad + esempio K , [K]int = 400 mM potassio all’interno all’equilibrio: Vm = E K Vm a 25 gradi °C → Vm = EK = 58 x log10 20/400 = -75mV (tanto potassio entra, tanto potassio esce: saremo all’equilibrio). Nel grafico su power point, possiamo vedere che linea verde e linea rossa coincidono → Se un solo ione (es. il Potassio) è permeabile, il potenziale di Nernst coincide con il potenziale di riposo della cellula in assenza di fenomeni elettrici nella membrana, questa è una situazione che non richiede energia, si mantiene indefinita nel tempo. Cosa che questo non accade nei neuroni (linea nera tratteggiata) che sono selettivi per più ioni, seguono Nerst solo a concentrazioni basse → Che succede se la membrana è permeabile a più di uno ione? Possiamo fare questo esempio dove gli ioni dall’esterno riescono ad entrare tutti: in questi casi la differenza di potenziale non segue l’equazione di Nerst perché la membrana è permeabile non solo a K, ma anche ad altri ioni, questo avviene in molte cellule in condizioni fisiologiche, compresi i neuroni.  Nella figura sopra vediamo che Na+ è concentrato maggiormente all’esterno e quindi vorrebbe entrare, la membrana per lui però ha poca permeabilità, l’inverso per k+ che invece vuole uscire perché fuori dalla cellula ha bassa concentrazione, e la membrana è molto permeabile a questo ione. (per ricordare come è composta la soluzione esterna: il sodio Na+ e il cloro Cl- si combinano insieme per formare NaCl cioè sale da cucina, la soluzione esterna ai neuroni è simile alla concentrazione di questi ioni nell’acqua salata → dove appunto ha cominciato a svilupparsi la vita). Siamo quindi in una situazione stazionaria che durerà solo per qualche minuto: poco dopo ci sarà troppo k+ fuori e troppo Na+ dentro, tuttavia riusciamo ad evitare questo grazie a dei sistemi di tipo attivo che consumano energia. NB: non c’è flusso netto ma non è una situazione di equilibrio stabile. Posso calcolarmi il potenziale di Nerst a T= 20 e C = 293 K EK = 58 x log10 20/400 = -75mV (negativo) k+ ha due forze opposte che lo spingono: essendo positivo tende ad entrare e essendo concentrato maggiormente all’interno tende ad uscire, due spinte opposte che però non si compensano come nel Cl- , infatti, la spinta che lo fa uscire per concentrazione è maggiore rispetto a quella inversa, la membrana è molto permeabile a questo ione e quindi il potassio ha un flusso in entrata moderato e un flusso in uscita molto più ampio, in particolare: flusso di Na+ in ingresso è uguale a flusso di K+ in uscita e questi due si compensano in uno stato stazionario (no equilibrio perché sennò i flussi dovrebbero essere dello stesso ione) → TENDE A USCIRE ENa = 58 x log10 440/50 = +55mV (positivo) il sodio vuole entrare per gradiente di concentrazione ed è particolare perché anche la carica positiva lo spinge ad entrare all’interno negativo della cellula, abbiamo due diverse forze che lo spingono ad entrare, ha una spinta molto forte ad entrare ma la membrana è poco permeabile a lui e quindi viene ostacolata questa enorme spinta in ingresso, alla fine il flusso di sodio in entrata sarà moderato dalla resistenza di membrana. → TENDE AD ENTRARE ECl = -58 x log10 560/40 = -65mV (negativo) i neuroni molto simili a lui con Nerst, il Cl è più concentrato all’esterno e per gradiente di concentrazione viene spinto ad entrare, allo stesso tempo Cl è un anione caricato negativamente come l’interno della cellula, quindi, viene spinto ad uscire, i due flussi si compensano e avremo un equilibrio di Nerst che porta ad un potenziale di membrana simile al neurone. → FLUSSI UGUALI Per descrivere questo stato stazionario non utilizzeremo Nerst che vale solo per l’equilibrio, infatti avremo una nuova equazione:  se la membrana è permeabile a più ioni (qui 3 tipi di ioni) uso questa equazione!! RT PK[K+]e + PNa[Na+]e + PCl[Cl-]i Vm = ln F PK[K+]i + PNa[Na+]i + PCl[Cl-]e Tuttavia ricordiamo che ogni ione ha la sua personale permeabilità ed è per questo che vengono divise: al numeratore va la concentrazione ESTERNA dei CATIONI e INTERNA degli ANIONI, mentre a denominatore il contrario. Ogni concentrazione moltiplicata per la permeabilità del singolo ione → è un’estensione dell’equazione di Nerst Vediamo altre formule importanti che saranno utili successivamente: FORZA ELETTROMOTRICE (FEM) → SPINGE GLI IONI A MUOVERSI f.e.m.= Vm – E equilibrio → potenziale di membrana meno potenziale di equilibrio dello ione che viene spostato, unisce sia la forza che spinge per la concentrazione sia la forza che spinge per la carica elettrica, ogni F.e.m è specifica per lo ione, Vm vale per tutti ma l’Equilibrio è singolare, se la f.e.m è molto alta lo ione sentirà una forte forza che lo sposta. f.e.m. K+ = Vm- Ek f.e.m. Na+ = Vm- Ena Vm riposo tale che INa +Ik = 0 → il potenziale di riposo (dove non si hanno fenomeni elettro-chimici) sarà uguale alla somma dei due flussi quado essa risulterà essere uguale a zero, tanto sodio entra quanto potassio esce. LEGGE DI OHM I=V/R I=f.e.m./R = f.e.m x g (forza elettro motrice per la conduttanza che è proporzionale alla permeabilità di un dato ione → la resistenza è opposta alla conduttanza) Ricordiamo che la f.e.m.= Vm – Eeq e quindi: IK = (Vm-Ek) x gK → (flussi di potassio= f.e.m che lo spinge per permeabilità al potassio) INa = (Vm-ENa) x gNa → (flussi di sodio= f.e.m che lo spinge per permeabilità al sodio) Vm-rip tale che INa +Ik = 0 come abbiamo detto sarà a riposo se i flussi saranno nulli Il potenziale di membrana a riposo è la media ponderata del potenziale di Nerst di sodio e potassio dove i pesi di questa media sono le conduttanze relative: quindi il Vm a riposo è più vicino al potenziale di Nerst (di equilibrio) del potassio (conduttanza cioè permeabilità alta) che a quello del sodio (conduttanza cioè permeabilità bassa). Per i neuroni il Vm a riposo è di -65Mv, questo accade perché a quel potenziale tanto sodio entra tanto potassio esce. È anche spiegabile come il flusso di sodio e quello di potassio si bilancino proprio a -65mV; infatti, a questo valore di potenziale di membrana il sodio ha una grande f.e.m. che lo spinge ad entrare; tuttavia, il flusso sarà limitato dall’alta resistenza della membrana e si bilancerà con il flusso di potassio determinato da una tendenza ad uscire meno forte di quella del sodio ma con resistenza nettamente minore quindi ha più permeabilità. Modello classico: Il potenziale di riposo corrisponde ad una situazione di equilibrio tra il flusso di sodio in entrata e quello di potassio in uscita. Si potrebbe tuttavia obiettare che questa condizione è impossibile da mantenere nel tempo in quanto la continua entrata di sodio e la continua uscita di potassio dovrebbero lentamente cambiare ed infine annullare le differenze di concentrazione tra interno ed esterno. L’annullamento delle differenze di concentrazione annullerebbe praticamente il potenziale di membrana. Tuttavia questo disastroso fenomeno non avviene in quanto i neuroni sono provvisti di un enzima, utilizzano energia per far funzionare la pompa sodio-potassio ATPasi, che è posto sulla membrana e, proprio come una pompa, fa uscire dalla cellula 3 ioni Na+ in cambio di 2 ioni K+ in entrata. Sposta gli ioni in modo inverso alle loro tendenze. Poiché i flussi ionici prodotti dalla pompa sono elettricamente sbilanciati (3 sta a 2), si dice che è elettrogenica che genera una corrente uscente netta e la sua azione non solo mantiene costanti le concentrazioni ma contribuisce a mantenere negativo Vm a riposo all’interno della cellula, genera corrente uscente. ATP E LA SUA IDROLISI Occorre sottolineare che il trasporto effettuato dalla pompa sodio-potassio ATPasi porta gli ioni dal comparto a concentrazione minore a quello a concentrazione maggiore, in opposizione alla naturale tendenza degli ioni (trasporto contro gradiente). L’operazione richiede quindi per la sua effettuazione una spesa energetica che avviene con l’idrolisi dell’ATP (adenosina tri fosfato → diventa ADP+Pi). La tasca del sodio e quella del potassio, grazie a questa energia, si aprono in modo inverso. Questo processo è continuamente in atto nei neuroni per poter mantenere un potenziale di membrana stabile; capiamo dunque il motivo per cui il cervello è uno degli organi con maggior consumo energetico nell’organismo.  FONDAMENTI: SECONDA LEZIONE (6 ottobre 2020) I SEGNALI NERVOSI Abbiamo visto finora il potenziale di riposo che si ha quando non c‘è azione nervosa, il segnale nervoso: definizione → è una variazione del potenziale di membrana a riposo, è un fenomeno attivo. Vedremo che la membrana avrà due proprietà, quelle attive (spiegate con la biologia) e quelle passive (spiegate con leggi fisiche come quella di Ohm o magari con funzionamento simile ai circuiti RC). Nel grafico possiamo vedere sulle ordinate Vm e sulle ascisse il tempo, i rettangoli sono l’iniezione di corrente e vediamo cosa succede se inietto una corrente tramite un elettrodo per far variare il potenziale di membrana → se inietto una corrente uscente il potenziale di membrana diminuisce e poi ritorna a riposo in modo lento (molto meno istantanea dell’iniezione di corrente), se ne inietto una entrante esso aumenta e si avvicina allo zero e poi ritorna a riposo  queste viste finora sono proprietà passive. Se inietto troppa corrente entrante il potenziale supererà un livello di soglia (chiamato potenziale di soglia) così il potenziale di membrana scatterà verso l’alto  proprietà attiva, e poi diminuirà andando molto negativamente rispetto al potenziale suo di riposo per poi tornare a riposo al livello normale, tutto questo avviene lentamente, solo dopo che ho iniettato una corrente (invece qui: istantaneamente), tuttavia essendo un fenomeno attivo lo possiamo spiegare solo grazie alle proprietà biologiche della membrana. Nelle prime due tracce rimuovo cariche positive dal citoplasma (aggiungo una carica uscente) ottenendo una risposta negativa (passiva) del potenziale, esso infatti andrà a diminuire→ iperpolarizzazione → IL Vm è ancora più negativo nella terza traccia aggiungo cariche positive al citoplasma (aggiungo una carica entrante) ottenendo una risposta positiva (passiva) del potenziale, esso infatti andrà ad aumentare raggiungendo quasi il valore soglia → depolarizzazione → IL Vm è meno negativo la traccia quattro è la più particolare perché aggiungo ‘troppe’ cariche positive al citoplasma tanto da innescare una risposta positiva ma ATTIVA, cioè con caratteristiche spiegabili biologicamente, in questo caso il potenziale di membrana andrà ad aumentare molto sopra il valore di soglia → potenziale d’azione le prime tre tracce sono dovute a segnali analogici, sono risposte passive graduate, la loro ampiezza riflette un’informazione molto importante, la quarta invece è un segnale digitale, non rilevante per la sua ampiezza ma solo per la sua presenza, è importante che ci sia un potenziale d’azione. POTENZIALE DI AZIONE Il potenziale di azione consiste in una veloce variazione del potenziale di membrana. 1- Quando il potenziale di membrana (Vm) dai valori negativi di riposo si porta rapidamente a valori positivi si ha la prima fase: si chiama fase ascendente. (rossa) (potenziale di membrana aumenta). 2- Alla fase ascendente segue una fase di ripolarizzazione rapida, fase discendente (blu) della membrana che riporta il potenziale di membrana (Vm) ai suoi valori di riposo, (potenziale di membrana diminuisce). In molti casi questa ripolarizzazione porta il potenziale di membrana ad assumere brevemente valori del potenziale di riposo o talvolta addirittura più negativi (iperpolarizzazione postuma verde) del potenziale di riposo!! 3- Il potenziale d’azione è seguito da un periodo refrattario STUDI SUL POTENZIALE D’AZIONE→ I meccanismi ionici alla base del potenziale d’azione furono scoperti da Hodgkin, Huxley e Katz. Ipotesi di Hodgkin e Huxley: la conduttanza Sodio e la conduttanza Potassio sono voltaggio dipendenti, hanno dinamiche e meccanismi di controllo diversi: Il ciclo del Sodio è un feedback positivo Il ciclo del Potassio è un feedback negativo H-H MODEL → Il primo caso è il ciclo di SODIO: esso è a feedback positivo, dopo la depolarizzazione, cioè l’aggiunta di cariche positive entranti, avrò un aumento di conduttanza/permeabilità del sodio e quindi si aprono i canali del sodio che lo fanno entrare nella membrana, l’ingesso causa un’altra depolarizzazione → ricomincia il ciclo. Il secondo caso è il ciclo di POTASSIO: esso è a feedback negativo, infatti dopo la depolarizzazione ho un aumento di permeabilità al potassio e un’uscita di esso dalla membrana, così il ciclo si interrompe da solo senza rigenerare una nuova depolarizzazione, anzi avrà una ripolarizzazione che contrasta la depolarizzazione che lo porterà ad avere valori nulli o negativi. → si spenge da solo. NB → → →Conduttanza: facilità con la quale uno ione attraversa la membrana, è proporzionale alla permeabilità e inversa alla resistenza In teoria conoscendo le seguenti formule gNa = INa / (Vm – ENa) e gK = IK / (Vm – EK) ricordando che la FEM è (Vm – EK) Dovrebbe essere possibile ricavare gNa (Vm) e gK (Vm) cioè la permeabilità di Na+ e K+ Tuttavia, non mi posso ricavare così la conduttanza/permeabilità del sodio e del potassio perché influisce un importante condizione: il fattore tempo, infatti nel tempo cambiano sia la FEM che la corrente e quindi questo non è un rapporto sensato. → come faccio a dimostrare l’ipotesi di H-H? attraverso il voltage-clamp (una tipologia di patch-clamp). In fisiologia la tecnica di voltage clamp è utilizzata per misurare le correnti di ioni attraverso la membrana di cellule eccitabili, come i neuroni, mantenendo la differenza di potenziale tra l'interno e l'esterno della membrana ad un valore definito. Il voltage clamp è un generatore di corrente con due elettrodi. Il potenziale di membrana è misurato con un "elettrodo di tensione" relativo alla terra che misura il V all’esterno e si mette nel liquido extracellulare e due elettrodi dentro alla membrana: uno è ”elettrodo di corrente" che consente di iniettare un flusso di cariche, ovvero una corrente, dentro la cellula e un altro elettrodo che misura il Vm all’interno. Ogni volta che la cellula modifica la propria differenza di potenziale con l'esterno rispetto al valore fissato, l'amplificatore invia tanta corrente quanto necessaria per riportare la differenza di potenziale al valore stabilito da noi (per esempio -40 mV), (e quindi Vs - Vm a zero). Questa corrente (che ha verso opposto a quella ionica) può essere misurata e quindi possiamo conoscere esattamente la corrente che passa attraverso una membrana. Kenneth Cole sviluppò questa tecnica prima dell'avvento dei microelettrodi e per questo utilizzò dei cavi sottili attorcigliati attorno ad una piccola asticella isolante. Questi elettrodi potevano essere inseriti solo nelle cellule più grandi e quindi scelsero gli assoni giganti dei calamari. → Utilizzando questa tecnica Alan Lloyd Hodgkin e Andrew Huxley scoprirono nel 1952 il meccanismo per cui le correnti ioniche danno origine al potenziale d'azione, e per questi studi condivisero il premio Nobel per la Fisiologia o Medicina nel 1963. DIFFERENZE TRA CORRENTE DI SODIO E CORRENTE DI POTASSIO Per capire le principali differenze tra queste due correnti devo bloccare il voltaggio di corrente e questo avviene nel primo grafico→ dal bloccaggio di voltaggio ho come risultato una corrente formata da due componenti, una corrente entrante e una corrente uscente (che scopriremo essere di Na+, K+), dissociabili con soluzioni ioniche o con farmaci bloccanti, delle tossine prodotte da pesci e molluschi (TTX mi blocca canali sodio e vedo solo potassio, TEA mi blocca canali potassio e vedo solo sodio). Una volta dissociate le due componenti avrò da una parte la corrente sodio (Na+) e dall’altra una corrente potassio (K+) che si comportano in modo diverso: PRIMA DIFFERENZA: LE FASI La corrente Potassio è responsabile della rapida ripolarizzazione (fase discendente) e della iperpolarizzazione postuma (avviene solo in alcuni casi) → La corrente Na+ (nella fase ascendente del potenziale d’azione) fluisce attraverso conduttanze di membrana che fanno passare solo il Sodio e che hanno la proprietà di aprirsi solo se c’è una depolarizzazione di Vm (di solito sono chiuse). → CORRENTE USCENTE TARDIVA La corrente Sodio è responsabile della fase ascendente → La corrente K+ (nella fase discendente del potenziale d’azione) fluisce attraverso conduttanze di membrana selettive per il Potassio e che hanno la proprietà di aprirsi solo se c’è una depolarizzazione di Vm (di solito sono chiuse). → CORRENTE ENTRANTE PRECOCE Per questo motivo entrambe le correnti sono chiamate voltaggio-dipendenti, la differenza fondamentale è che: entrambe entrano solo se c’è depolarizzazione (cioè si aprono) e ma poi la corrente Potassio esce e la corrente Sodio continua il ciclo!! SECONDA DIFFERENZA: LA VELOCITA’ E LE DINAMICHE Corrente Potassio V-dipendente (voltaggio dipendente) è tardiva, di più lenta attivazione e la cui inattivazione si ha solo con il ritorno del potenziale di membrana a valori di riposo. Infatti se il Vm è depolarizzato non si INATTIVA (chiude) ma si DISATTIVA (lenta ed uscente) Corrente Sodio V-dipendente (voltaggio dipendente), di rapida attivazione e di rapida inattivazione, si apre e si INATTIVA (chiude) velocemente anche se il Vm è depolarizzato e così continua il suo ciclo→ (veloce ed entrante) NB: differenza tra DISATTIVARE e INATTIVARE → se le conduttanze si disattivano vuol dire che viene meno lo stimolo e quindi si fermano da sole, se le conduttanze si inattivano vuol dire che lo stimolo è stato bloccato artificialmente anche se poteva continuare ad andare CICLO AUTORIGENERATIVO DEL SODIO DEPOLARIZZAZIONE ENTRA IL SI APRONO I SODIO CANALI DEL SODIO NA+ Alla base del ciclo del potenziale di azione sta il ciclo auto rigenerativo della corrente sodio: le correnti entranti di sodio causano una depolarizzazione del Vm. La depolarizzazione a sua volta aumenta la permeabilità per il sodio aprendo i canali cioè le conduttanze per esso e quindi la corrente di Na+ riesce ad entrare (feedback positivo)→ ogni volta che depolarizzo si ha una depolarizzazione seguente sempre maggiore (scale temporali molto piccole, poi si inattiva la corrente sodio e viene meno questo feedback e si aprono i canali del potassio che causano una ripolarizzazione e si avvia il ciclo a feedback negativo che contrasta la depolarizzazione,). I due cicli di sodio e potassio avvengono nello stesso momento appena avviene una depolarizzazione, ma le correnti sodio sono più veloci ad aprirsi e questa differenza di cinetica fa sì di creare un Vm prima ascendente solo di sodio e poi discendente solo di potassio. L’innesco di questo ciclo è possibile solo se la depolarizzazione iniziale supera un valore di potenziale di soglia al quale scatta il potenziale d’azione. → il valore soglia è dato dalle correnti di Leakage e alle conduttanze passive del potassio, cioè da correnti indipendenti dal voltaggio e che fanno passare ioni. Se la depolarizzazione non raggiunge la soglia la corrente Sodio voltaggio dipendente viene controbilanciata dall’aumento della corrente potassio passiva della membrana; in questo modo non riesce ad innescarsi il ciclo rigenerativo e non si genera un potenziale d’azione. Se invece la depolarizzazione iniziale supera il valore soglia, la corrente potassio passiva non riesce a controbilanciare l’entrata del sodio e quindi si innesca il ciclo rigenerativo perché il feedback positivo del sodio vince su quello negativo → Ina-vdip > Ik+Ileakage. La soglia di innesco al monticoloo assonico è tra -50 e -35 mV. In altre zone del neurone la soglia è molto più alta, per cui il potenziale d’azione si innesca tipicamente al monticoloo assonico dove è più negativo, si chiama infatti cono di emergenza dove avviene anche l’integrazione di segnale, cioè dove viene deciso o meno se innescare il potenziale d’azione. Il potenziale di soglia varia da zona a zona del neurone e dipende dalla composizione dei canali e dalla geometria della cellula→ non è omogeneo in tutta la superficie. LA CORRENTE DI CANCELLO Da dove passano gli ioni nell’attraversare la membrana? Le prime indicazioni arrivano da esperimenti che hanno rivelato la presenza di una “corrente di cancello” → l’esperimento consiste nell’uso di una carica elettrica (detta sensore di voltaggio, perché sappiamo che esistono delle correnti voltaggio dipendenti) che sente l’ influenza del campo elettro- magnetico, se quest’ultimo esiste, la carica inizia a spostarsi da una parte all’altra, una carica che si muove è per definizione una corrente e in questo caso è esattamente la corrente di cancello. Se esiste la corrente di cancello esiste conduttanza (permeabilità) cioè la possibilità di attraversare la membrana. Vengono scoperti così dei canali che permettono agli ioni di oltrepassare la membrana, la presenza di questi canali rende la membrana permeabile, o semipermeabile (solo ad alcune specie ioniche). I canali ionici sono la componente biologica delle conduttanze e sono molto selettivi, sono delle proteine integrali (che spuntano ai due lati della membrana) di membrana con strutture e funzioni diverse, sono formati da più subunità, in questo caso sono catene polipeptidiche (quindi sono proteine a struttura terziaria o quaternaria). Al loro interno hanno un poro acquoso (perché al 50% e più le membrane sono formate da lipidi idrofobici che si allontanano in presenza di acqua, aprendo un foro) che permette a ioni, caricati positivamente o negativamente, di entrare all’interno della membrana, sennò non potrebbero attraversare i lipidi (lo stesso canale non può mai essere selettivo contemporaneamente sia per anioni che per cationi). Ci sono diversi criteri per classificare questi canali: -quanto sono selettivi/ per cosa sono selettivi (molto o poco selettivi a seconda di quanti ioni fanno passare) oppure selettivi appunto per un certo tipo di ione come magari solo al sodio, o solo al potassio… -meccanismi di apertura diversi: voltaggio, agonisti, messaggeri ecc... -cinetica di attivazione diversa: possono inattivarsi o deattivarsi, veloci o lenti -bloccaggio diverso: può avvenire a causa di ioni, farmaci, malattie, tossine ecc... Le dimensioni del poro sono dell’ordine dei diametri atomici e variano a seconda delle dimensioni dell’atomo che li deve oltrepassare (canale poco più ampio dell’atomo). Per attraversare il punto più stretto del poro (filtro di selettività) uno ione dovrebbe essere liberato dal guscio di idratazione all’ingresso del canale (dal quale viene circondato quando è in soluzione, lo sono a causa delle interazioni elettrostatiche), cioè deve essere disidratato sennò non passa nel canale poco più ampio e poi reidratato una volta entrato nel citoplasma, tuttavia l’energia necessaria per liberare uno ione dal guscio di idratazione è molto alta. → Il filtro di selettività è composto da cariche di segno opposto a quello dello ione che entra, queste cariche opposte si dispongono lungo il canale di modo che lo ione viene deidratato attraverso l’energia di legame che compensa l’energia di deidratazione e riesca ora a saltare da una carica all’altra. Diciamo però che ci sono più modi di selezionare gli ioni giusti: -la carica: un catione può entrare in un canale caricato negativamente, un anione può entrare in un canale caricato positivamente e non viceversa, altrimenti non ‘scorrerebbe’ ma rimarrebbe ’fermo’ poiché solo gli opposti si attraggono. A seconda del guscio di membrana possiamo capire quale carica (opposta) ci sia nel canale → importante dire che parliamo sempre di cariche parziali: (parzialmente positivo e parzialmente negativo). -la grandezza o ingombro sterico: come vediamo nella foto, lo ione poco prima di entrare nel poro viene deidratato parzialmente, uno ione troppo grande rimarrebbe leggermente idratato e così non riuscirebbe ad entrare perché il canale è troppo piccolo. Se lo ione è troppo piccolo invece non fa abbastanza legami e rimane troppo idratato e quindi deve essere una dimensione precisa ed esatta. -idratazione: abbiamo detto che per entrare all’interno del canale lo ione deve deidratarsi parzialmente (togliere H2O) e poi verrà reidratato solo all’interno della cellula grazie al citoplasma, se questo non accade e lo ione rimane idratato esso non riuscirà a passare nel foro che sarà troppo stretto. -filtro entropico (solo accennato, non spiegato) Esiste un tempo di legame degli ioni all’interno del canale dell’ordine di 10-6 / 10-7 sec e questo è il tempo che ci mettono per saltare da una carica all’altra e a deidratarsi e arrivare all’altro lato, in un secondo potranno passare da un milione a dieci milioni di ioni → Il massimo numero di ioni che può fluire è quindi di 106 / 10 7 ioni/sec. Corrisponde a correnti dell’ordine dei pA (milli 10-3, micro 10-6, nano 10-9, pico 10-12). PER CORRENTI PICCOLE: Il canale si comporta come una resistenza seguendo la fisica → Legge di Ohm: I=V/R. Da qui ricaviamo la conduttanza (g) che è il reciproco della resistenza (1/R), quindi I= gV. Un canale per il potassio può essere rappresentato dalle leggi che valgono nella fisica per i conduttori: la permeabilità e l’inversa della resistenza, sarebbe come dire resistenza alla meno uno, quindi il reciproco della resistenza!! PER CORRENTI MAGGIORI: Ogni volta che aumenta il voltaggio, aumenta la corrente fino a saturazione del canale, adesso diremo che non segue più Ohm ma possiamo invece dire che il canale è un enzima. (passiamo dalla fisica alla biologia). Ma cosa spinge gli ioni attraverso questi canali? La forza elettromotrice (f.e.m.) data da Vm meno il potenziale di Nerst del singolo ione → la corrente sarà uguale alla permeabilità per quello ione moltiplicata per la spinta che lo muove (f.e.m). Se il voltaggio di membrana è diverso da quello di riposo indicato dall’eq. di Nernst vi sarà una corrente ionica. Perché come abbiamo detto molte correnti sono voltaggio-dipendenti e se il voltaggio è a riposo ovviamente non passano ioni. Possiamo quindi dire → se la nostra f.e.m.= Vm – EK avremmo che (Vm- EK). gK = IK Abbiamo due tipi di canali: canali attivi e canali passivi 1-canali passivi: sono dei canali sempre ‘aperti’, (osservandoli nell’ordine dei minuti), questi canali sono alla base dell’esistenza e il mantenimento di un potenziale di riposo, oltre i minuti influisce il metabolismo ecc.… 2-canali attivi: come abbiamo visto il neurone per generare e trasmettere dei segnali varia il suo potenziale di membrana e lo trasforma in potenziale d’azione che è appunto un fenomeno non più passivo ma attivo. Per far questo utilizza dei canali ionici diversi da quelli responsabili del potenziale di riposo, essi sono esattamente i canali attivi e regolati in base alla presenza di uno stimolo. Questi canali si aprono e si chiudono in base alla presenza di diversi fattori: se è presente una molecola che funge da ligando si aprono (trasmissione sinaptica), oppure sono controllati meccanicamente e si aprono con stimoli meccanici sulla membrana cioè compressione o stiramento, oppure dal voltaggio cioè si aprono se voltaggio supera la soglia (potenziale d’azione) e infine dalla fosforilazione cioè per attivarli un enzima gli deve donare un Pi (gruppo fosfato) dell’ATP. In ogni caso per aprire un canale, la proteina deve cambiare la sua CONFORMAZIONE. Come vediamo nella foto possiamo riconoscere due canali uno a controllo di voltaggio e uno a controllo di ligando. Quello a controllo di voltaggio ha una zona sensibile al potenziale di membrana, quando esso cambia viene causato lo spostamento delle cariche e si accende la corrente di cancello. Quello a controllo di ligando ha siti extracellulari dove il ligando si lega e cambia la conformazione del canale e si apre il cancello. I canali vengono modulati, possono variare anche la velocità, la sensibilità al ligando eccetera. Come possiamo spiegare il valore tipico del potenziale di riposo neuronale? esso è dovuto alla presenza di numerosi canali passivi permeabili al Potassio, per il sodio ci sono pochissimi canali passivi, cioè a riposo c’è molta permeabilità per sodio e poca per potassio. (caso particolare: I canali passivi per il Cloro sono abbastanza numerosi e il Cloro si dispone praticamente all’equilibrio, è uno ione molto particolare). COME SI COMPORTA IL CANALE SODIO: Il canale sodio voltaggio dipendente ha dei segmenti S4, sono delle alfa eliche, che hanno amminoacidi positivi che fungono da sensori di potenziale di membrana e stanno proprio a cavallo della membrana, l’interno della membrana è solitamente negativo, quando si depolarizza e diventa meno negativo, queste alfa eliche escono leggermente ruotandosi e questo causa un cambiamento di conformazione della proteina canale, il foro così si apre, questi segmenti sono quindi dei sensori che causano corrente di cancello. Il canale inizialmente è chiuso e poi con la depolarizzazione si apre e il sodio passa, nel mentre però, il cancello di inattivazione si chiude piano piano, è un secondo cancello che si chiama palla e catena, ball and chain, va ad intasare il canale che si era aperto e anche se c’è ancora voltaggio viene intasato (inattivo e non disattivato). La differenza è che un canale chiuso si può aprire, un canale inattivo no ,perché c’è un altro cancello che interviene in questo processo → questo meccanismo, sta alla base del periodo refrattario. Ci sono due tipi di periodo refrattario: quello assoluto dura 1 o 2 millisecondi, quello relativo di 2 o 3 millisecondi, al termine di quello assoluto non si può generare potenziale d’azione, invece al termine di quello relativo si può generare 1 nuovo potenziale d’azione ma con più difficoltà, avviene questo perché: nel periodo refrattario assoluto i canali sodio sono inattivi e non fanno passare corrente e non si genera quindi potenziale, in quello relativo invece sono chiusi quindi possono essere aperti ma vanno dati stimoli maggiori rispetto a quelli soliti, questo per due motivi: va contrastato il potassio che in questo momento ha più canali aperti rispetto alla condizione di riposo sua e inoltre il sodio ha meno canali apribili. Se c’è periodo refrattario, c’è anche una frequenza massima alla quale il neurone può sparare cioè alla quale si possono generare potenziali d’azione → massimo 500 potenziali al secondo.  FONDAMENTI: TERZA LEZIONE (8 ottobre 2020) CURVE CORRENTE-VOLTAGGIO Servono per studiare le caratteristiche dei canali in elettrofisiologia. Nel grafico possiamo vedere varie tipologie di curve, nelle ascisse abbiamo un potenziale di comando (fissato da noi ad un valore preciso) e nelle ordinate invece avremo la corrente in Ampere da misurare. Possiamo isolare un singolo canale con la tecnica del patch-clamp per vedere come si comporta la corrente: misuriamo due curve, imponiamo un dato voltaggio di membrana, per esempio -70 mV e vediamo che passerà -1 ampere (moltiplicato per la scala), e mettiamo un puntino → vediamo che i risultati si disporranno in linea retta (nera) caso più semplice. Le caratteristiche importanti da studiare delle curve sono 1-il coefficiente angolare, cioè la pendenza (m) in Y=mx+q, più è inclinata la retta, maggiore è m, e maggiore sarà la conduttanza/permeabilità del canale che stiamo misurando (il canale in nero ha conduttanza maggiore di canale in verde) 2-il punto di intersezione tra la retta e l’asse X delle ascisse, questo punto prende il nome di intercetta, essa ci segnala il potenziale di inversione → cosa è? POTENZIALE DI INVERSIONE Definizione: è il potenziale di membrana tale che la somma di tutte le correnti che passano a quel potenziale è uguale a zero→ al potenziale di inversione, infatti, la retta che staremo studiando, attraversa lo zero e l’ordinata Y quindi vale zero. È importante perché se il canale che studiamo è permeabile ad una sola specie ionica il potenziale di inversione è uguale al potenziale di Nerst per quello ione. Se i canali sono non voltaggio dipendenti essi si comportano secondo la legge di Ohm e avremo una singola retta come risultato, se invece sono voltaggio dipendenti avremo forme più complesse. A voltaggi negativi non passa nessuna corrente perché canale si chiude, vicino alla soglia avremo una corrente entrante negativa e pian piano sale assumendo valori maggiori fino al suo massimo → non aumenta la conduttanza ma in questo caso aumenta l’apertura del canale. Vediamo però che più aumenta il voltaggio più diminuisce la corrente → questo perché diminuisce la f.e.m che muove gli elettroni Quando potenziale di membrana sarà uguale a potenziale di Nerst, la corrente che passa è uguale a zero e questo sarà il suo PUNTO di INVERSIONE. Possiamo andare oltre Nerst attraverso strumenti artificiali, vediamo che la corrente di sodio adesso sarà non più entrante ma uscente e la f.e.m si sarà invertita e quindi anche la corrente sarà invertita. La curva passa da negativa a positiva e viceversa, si inverte appunto. Il potenziale di inversione è quel Vm per cui il flusso di ioni sarà uguale a zero, tanti ioni entrano tanti escono e corrisponde all’intercetta. Se il canale fa passare un solo ione, il flusso netto di quello ione al potenziale di inversione è zero e qui Pinversione= PNerst di quello ione specifico, se passano più specie ioniche la somma di tutte le correnti deve essere zero al potenziale di inversione, i flussi saranno compensati. PROPRIETA’ DI MEMBRANA Non tutte le membrane/tratti di membrana hanno le stesse caratteristiche: 1-dipendono dal tipo di canali presenti 2-dipende dalla quantità di canali Esistono canali presenti in tutti i neuroni e tutti i compartimenti: 1-i canali potassio passivi responsabili della regolazione e instaurazione del potenziale di riposo. Esistono poi dei canali non sempre presenti in tutti i compartimenti ma presenti in quasi tutti i neuroni: 1-canali del sodio voltaggio-dipendenti (pochi nei dendriti per esempio) Ed infine esistono canali presenti solo in alcuni tipi di neuroni: 1-canali potassio calcio-dipendenti, sono canali che fanno passare il potassio in base alla concentrazione di calcio citosolica. Sono importanti perché stanno alla base dell’adattamento neuronale, non tutti i neuroni presentano adattamento, lo fanno per l’economicità delle risorse, smette di generare potenziale d’azione→ l’attenzione del cervello è limitata il sistema nervoso allora gli manda solo la parte iniziale e la parte finale dello stimolo, il cervello poi si ricostruisce la parte mancante. 2-canali a controllo meccanico, quasi solo in neuroni che si occupano di sensazioni tattili 3-canali calcio-voltaggio dipendenti a Bassa soglia, si aprono solo se si supera un potenziale di membrana (basso) di -50 mV, una volta superato fanno entrare il calcio in seguito ad una depolarizzazione. Entra abbastanza calcio che si accumula e si aprono i canali potassio calcio dipendenti e così la cellula si iperpolarizza. Il calcio viene eliminato dal citosol e la cellula torna allo stato iniziale. Sono divisi in canali ad alta soglia (si aprono dopo i -40 mV) e servono per far entrare calcio nelle terminazioni presinaptiche, quelli a bassa soglia (si aprono dopo i -50 mV) e sono presenti in neuroni che hanno attività di peace maker, creano un’oscillazione all’interno dei neuroni, si crea un vero e proprio ritmo. Sono presenti nel TALAMO, al centro del prosencefalo, durante la veglia ha una funzione di Relè, cioè riceve i segnali da tutto il coro e li smista mandandoli alla corteccia, nel sonno questo cancello talamico è chiuso, il segnale non arriva alla corteccia, il talamo oscilla ad onde lente e quindi nel sonno siamo in una situazione di incoscienza. Come funzionano questi neuroni talamici? In modo insolito → Rispondono ad una iperpolarizzazione e poi dopo aver raggiunto il potenziale di riposo non si ferma e continua a depolarizzarsi e poi torna al potenziale di riposo solo in un secondo momento, questo è dovuto all’ingresso di calcio. Quando ci svegliamo di seguito a stimoli (luce, acqua, suono...) il cancello talamico si riapre e le onde tornano veloci e non più lente e torna la modalità di Relè. CONDUZIONE LUNGO L’ASSONE Vediamo come si conduce il potenziale d'azione lungo ad esempio un assone, allora nel punto membrana assonale dove viene generato un potenziale d'azione si ha una depolarizzazione, cioè normalmente l'esterno è positivo e l’interno è negativo, ma nel punto in cui nasce il potenziale d'azione, avviene il contrario, cioè l’interno diventa positivo e l'esterno diventa negativo. Questo perché in quel punto sono entrate delle cariche (attraverso la membrana) che iniettiamo dall'esterno verso l'interno, queste cariche si troveranno quindi dentro l’assone nel cosiddetto assoplasma (citoplasma assonale) e le cariche a loro adiacenti invece saranno ancora negative → questo potenziale si deve propagare! Le cariche positive una volta entrate si diffondono dal punto di iniezione, verso quelle negative adiacenti (attratte dalla carica opposta) depolarizzandole man mano, questo non può proseguire per l’intero assone perché le cariche positive prima o poi escono. La depolarizzazione elettrotonica da esse indotta si espande ma non potrà quindi allargarsi più di tanto, le cariche positive escono attraverso dei canali passivi che sono i canali di Leakage, (questo tipo di propagazione elettrotonica è di tipo passivo perché non richiede l'utilizzo di energia chimica al contrario invece del potenziale d'azione). Quindi man mano che la propagazione elettrotonica procede questa diminuisce di intensità fino quasi a scomparire e quindi non può coinvolgere l'intero assone. Per definire fino a quando può estendersi la depolarizzazione, si utilizza una costante di spazio LAMBDA: definita come la distanza alla quale la depolarizzazione si è attenuata al 37% del valore iniziale nel punto di iniezione → se lambda è molto ampia allora la depolarizzazione elettrotonica sarà molto ampia quindi decrescerà lentamente, ovvero le cariche entrate faranno un tratto più lungo prima poi di riuscire dai canali di Leakage. quindi maggiore sarà la costante di spazio e maggiore sarà la lunghezza del tratto assonale depolarizzato in modo elettrotonico. A livello sperimentale si può procedere in questo modo: Si può impalare l’assone con un elettrodo che inietterà una corrente entrante (formata da cariche positive a questo punto una volta entrata, le cariche trovano a fianco a sé delle zone cariche negativamente e quindi si espandono, percorrono il tratto dell'assone, man mano uscendone. Come varia il potenziale d’azione? vedremo che la variazione massima si trova all'inizio nel punto di iniezione e diminuisce man mano che ci allontaniamo dal quel punto, dove questo valore arriva al 37% del valore iniziale avremo la nostra costante di spazio landa→ possiamo matematizzare questo concetto: (quindi potenziale di membrana, dipendente dallo spazio, è uguale al potenziale di membrana del punto di iniezione moltiplicato per un coefficiente esponenziale elevato alla - x che sarebbe la distanza da cui misuriamo rispetto al punto di iniezione, diviso landa → e landa sarà la nostra costante di spazio) LA COSTANTE DI SPAZIO  𝑅𝑀 Essa è definita come la radice quadrata di RM su RA, √ 𝑅𝐴 dove: RA → è la resistenza assonale, o meglio la resistenza assiale dell'assone, con resistenza dell'assone o resistenza assiale dell'assone si intende la resistenza che hanno le cariche nel viaggiare all’interno dell’assone (nell’assoplasma): se la resistenza è alta le cariche avranno difficoltà una volta entrate a spostarsi, se la resistenza è bassa invece riusciranno a farlo facilmente e quindi la propagazione sarà più facile. RM → è la resistenza di membrana dell'assone, ovvero la resistenza dell’assolemma, che sarebbe difficoltà che hanno le cariche nell’ entrare all’ interno della membrana dell'assone: se la resistenza di membrana è alta le cariche avranno difficoltà a uscire una volta entrate, se bassa invece usciranno facilmente. Quindi avremo due casi: 1- se la resistenza di membrana RM è alta e quella assonale RA è bassa, la costante di spazio landa sarà alta perché le cariche una volta entrate con facilità, faranno quindi degli ampi tratti con facilità e con difficoltà usciranno fuori. 2- al contrario la resistenza di membrana RM è bassa e la resistenza assonale RA è alta la costante di spazio landa sarà bassa perché in questo caso le caricano una volta entrate con facilità, si sposteranno per tratti corti e tenderanno invece a uscire subito perché escono con facilità. LA PROPAGAZIONE LUNGO L’ASSONE La propagazione elettrotonica non è sufficiente a depolarizzare un intero assone, quando avviene una depolarizzazione in un preciso tratto di assone, solo in quel tratto o nelle aree più vicine avremo un potenziale d’azione che supera la soglia! Sappiamo poi che maggiore sarà la costante di spazio e più ampia sarà la zona depolarizzata da un singolo potenziale d'azione (e quindi più ampia sarà la sottozona che risulterà al di sopra del potenziale di soglia). Da tutti questi punti che si trovano sopra il potenziale di soglia verrà generato un nuovo potenziale d'azione → questo è il modo che usa il potenziale d'azione per spostarsi. (Riassumendo → il potenziale d'azione è un fenomeno attivo, una volta iniettato, tramite la propagazione elettrotonica si sposta e crea una depolarizza nell’area adiacente. Questa nuova area genera a sua volta un nuovo potenziale d'azione che sostituisce il vecchio, così il potenziale d’azione si rigenera sempre uguale a sé stesso (non varia la sua forma, ma varia la sua posizione). si potrebbe pensare però che potenziale d'azione possa muoversi in entrambe le direzioni, e in effetti, se noi artificialmente andiamo a depolarizzare il centro dell'assone è esattamente quello che noi osserviamo. Importante ricordarsi che dal punto di vista fisiologico, normalmente, il potenziale d'azione viene generato nel cono di emergenza/monticoloo assonico, ovvero quindi nella zona vicina al corpo cellulare… dopodiché si espande lungo l’assone fino ad arrivare alle terminazioni di uscita, quindi va solo verso il basso!! perché quindi si muove solo in un verso o nell'altro? Lo fa grazie al periodo refrattario, quando una zona della membrana è stata depolarizzata, essa genera un potenziale d’azione e poi va subito nel periodo refrattario, quindi non può generare un altro potenziale d'azione → quindi nella parte a valle, la membrana può essere ancora depolarizzata, mentre nella parte a monte la membrana è già nel periodo refrattario e non può creare un nuovo potenziale d'azione. Quindi il potenziale d'azione si propaga solamente verso una sola direzione ed è quella dove non è ancora presente il periodo refrattario, quindi va a valle verso le terminazioni assoniche. Due caratteristiche importanti della propagazione del potenziale d'azione sono: 1- la velocità, intesa come il tempo che impiega il potenziale a propagarsi 2- la sicurezza, nel senso che, normalmente, in condizioni fisiologiche una volta che un potenziale d'azione è stato generato, esso si propagherà via via fino ad arrivare al termine della fibra. Nella realtà talvolta possono accadere dei danni al nervo, delle patologie o delle alterazioni che fanno sì che quel tratto di nervo danneggiato faccia morire il potenziale d'azione. Quindi con sicurezza si intende la sicurezza che una volta che il potenziale è partito riesca ad arrivare poi fino alla fine. Ci sono diversi fattori che influiscono sia sulla velocità, sia sulla sicurezza: A- il primo di questi è il : Velocità: maggiore è il diametro assonale, maggiore sarà la costante di spazio landa → maggiore sarà la costante di spazio maggiore è la velocità → più ampia sarà la zona depolarizzata in modo elettrotonico, più lontani saranno gli estremi di questa zona e quindi più velocemente si sposta. Sicurezza: se dovesse esserci qualche problema, danno o qualche patologia e la costante di spazio landa è sufficientemente ampia → il potenziale d’azione riesce a scavallare quella zona di membrana che non funziona e quindi, a generare potenziali d'azione nella zona ancora funzionante dopo di quella. B- Un altro fattore è la presenza di mielina: (è una sostanza proto-lipidica fatta al 70% da lipidi e al 30% da proteine, come sappiamo i lipidi sono delle molecole isolanti e quindi la mielina funziona come un dielettrico: non fa passare la corrente. NB: non tutte le cellule sono mielinate, a livello periferico è generata dalle cellule di Schwann, a livello centrale da oligodendrociti) La mielina ha tre funzioni: 1-aumenta la velocità della conduzione nervosa 2-aumenta la sicurezza della conduzione nervosa 3-aumenta l’economicità della conduzione nervosa LA COSTANTE DI TEMPO  Possiamo notare un’importante differenza: quando iniettiamo un potenziale d’azione lo facciamo istantaneamente, il potenziale di membrana varia invece più lentamente → possiamo parlare di una sorta di inerzia del sistema elettrico che si comporta come un circuito RC, in questi circuiti la corrente è formata da due componenti 1- componente capacitativa (Icap)= Cm dV/dt 2- componente resistiva (Ires)= V(t)/Rm I = Icap + Ires I = Cm dV/dt + V(t)/Rm → risolvendo questa equazione trovo il potenziale d’azione che risulterà essere→ V(t)= RmI(1-e-t/ ) (Rm= resistenza di membrana,  letto ‘tau’ è la costante di tempo). 1- A tempo=0, cioè appena iniettiamo, il potenziale è =0 2- A tempo infinito, il potenziale è uguale a Ires 3- A tempo uguale  , il potenziale è = IRm(1-1/e) che vale esattamente 0,63 → Quindi  è il tempo necessario perché la variazione di potenziale arrivi al 63 di quello che sarebbe il suo valore finale (valore resistivo) → ma come si calcola Tau? È uguale a Cm moltiplicato per Rm → Cm x Rm dove: 1- Rm è la resistenza di membrana 2- Cm è la capacità di membrana Capacità di membrana Cm → Icap = C * dV/dt → per capirla usiamo un voltage clamp nel quale noi imponiamo alla cellula la membrana di passare in modo istantaneo dal suo potenziale di riposo di -60mV a un potenziale di -50mV → quello che noi vediamo prevalentemente è la componente resistiva, ma all'inizio e alla fine il nostro stimolo vediamo dei cosiddetti ‘surge’ cioè delle variazioni improvvise di corrente che rappresentano la componente capacitiva della membrana, essa infatti è presente solo all’inizio e alla fine della corrente: (sono tutti fenomeni passivi cioè che avvengono solamente per leggi fisiche e non ancora per motivi biologici)→ ma a cosa è dovuta questa capacità? Nella membrana, sulla faccia interna c'è uno o più strati di cariche negative mentre sulla faccia esterna ci sarà uno più strati di cariche positive, la capacità di membrana ci dice la quantità di queste cariche presenti una membrana: A- se ha una capacità alta avrà una grande quantità di cariche negative interne e positive esternamente B- mentre una membrana che ha una bassa capacità avrà un piccolo numero di cariche negative dal lato interno e positive dal lato esterno Quando vi è una variazione del potenziale la membrana si comporta come se fosse un capacitore, cioè un condensatore: 1- i lipidi fungono da dielettrico 2- le due facce della membrana fungono sono degli elettrodi (le facce di un condensatore) Se si vuole far variare il potenziale tra le facce membrana bisogna fare in modo che sulla faccia interna non ci siano più cariche negative bensì cariche positive e sulla faccia esterna non ci siano più cariche positive bensì negative (cioè devo mettere dentro i + e far uscire i -) → più grande è il numero di cariche più tempo ci vorrà per fare questo riarrangiamento, se la membrana ha molta capacità allora le risposte saranno più lente, se c’è poca capacità le risposte saranno più dinamiche e veloci. COSTANTE DI SPAZIO  + COSTANTE DI TEMPO  → EFFETTO COMBINATO Esperimento → inietto una corrente entrante di cariche positive e la misuro tramite elettrodi sempre più distanziati dal punto di iniezione → vedremo che lo stimolo segue un’onda quadra e invece la differenza di potenziale segue un’onda smussata (curva nera)questo è l’effetto di landa da sola, le curve successive: quella verde quella rosa, rappresentano l'effetto combinato della costante di tempo e dalla costante di spazio → non solo smussano il nostro stimolo iniziale ma per di più lo attenuano e lo allargano nello spazio come anche nel tempo, tuttavia vediamo che si sta anche spostando. LA MIELINA E LE COSTANTI DI SPAZIO E TEMPO La melina non si dispone in modo omogeneo lungo tutto l'assone: fa una serie di manicotti che sono chiamati Internodi che sono separati da zone dove la mielina non c’è e prendono il nome di nodi di Ranvier → le cariche fluiscono molto sui nodi di Ranvier e poco sugli internodi poiché la mielina gli impedisce il passaggio: è una conduzione saltatoria e questo fa aumentare: A-LA VELOCITA’: 1- La mielina funge da dielettrico, allontana tra di loro le due facce del condensatore, e per questo riduce la capacità del nostro circuito: ci sono quindi meno cariche da riarrangiare così la costante di tempo viene ridotta e aumenta la velocita risposta. 2- La mielina aumenta anche la resistenza di membrana → la costante di spazio landa è definita come una radice della resistenza di membrana diviso la resistenza assonale, la mielina quindi aumenta anche landa e quindi a sua volta aumenterà la velocità e la sicurezza. B-LA SICUREZZA: 1- rende più sicura la conduzione perché riduce la perdita verso l'esterno della corrente elettrotonica aumentando la resistenza di membrana 2- essendo una conduzione saltatoria, quando un nodo di Ranvier si depolarizza, andrà a depolarizzare non solo il nodo successivo ma anche 2 o 3 nodi successivi, quindi se un nodo è danneggiato non c’è problema perché ci sarà già pronto quello successivo → così supera le aree danneggiate C-RISPARMIO ENERGETICO: Il maggiore consumo di energia per i neuroni è dato dalla pompa sodio potassio che come sappiamo usa energia per pompare Na+ e K+ contro gradiente → abbiamo detto che la mielina riduce la capacità di membrana quindi ci saranno meno cariche da far uscire (Na+)/entrare(k+) e quindi verrà usata meno energia, soprattutto se consideriamo che questo avviene solo nei nodi di Ranvier che riducono anche lo spazio neuronale da coprire. Come sappiamo non tutti i neuroni sono mielinizzati e si possono chiaramente vedere le differenze: se c’è mielina la velocità di propagazione è di circa 20-100 m/s, se non c’è mielina le cariche viaggiano solo per 0,5-2 m/s. L'importanza della melina è resa evidente dalla presenza di alcune malattie dette demielinizzanti, come la sclerosi multipla, infatti sono delle malattie progressivamente invalidanti perché la degradazione di melina rende la trasmissione nervosa sempre più inefficiente. MULLER E LA TEORIA DELL’ENERGIA SPECIFICA DEL NERVO il professor Muller studiò i codici di trasmissione degli impulsi nervosi. Al suo tempo si pensava che in un dato nervo potessero passare insieme contemporaneamente uno stimolo che codificava ad esempio per un lampo di luce, uno che codificava per uno stimolo tattile o per un suono e il cervello lo riconosceva perché si ‘auto dichiarava’. Muller smentì questa teoria: Essenzialmente vide che diversi tipi di stimoli applicati alla retina (un lampo di luce, una pressione meccanica o uno stimolo elettrico) inducevano sempre nell’ animale la sensazione di vedere un lampo di luce (quando ci strofiniamo gli occhi e vediamo giallo) → quindi questo vuol dire che impulsi nervosi dentro il nervo codificano semplicemente per la presenza di uno stimolo; Muller pensava che lo stimolo fosse codificato dal tipo di nervo per questo chiamò la sua teoria: ‘teoria dell'energia specifica del nervo’: il nervo uditivo porta uno stimolo uditivo. (in realtà sappiamo che non è esattamente così perché non è tanto il tipo di nervo, quanto invece dove va a finire il nervo, se va in una zona di tipo visivo cioè nella corteccia visiva primaria allora quello stimolo sarà interpretato come uno stimolo visivo, se invece va alla corteccia uditiva primaria lo stimolo è uditivo ecc.…). i nervi possono essere mielinati o non mielinati, nell’ essere umano le fibre non mielinate prendono il nome di fibre di tipo C (sono lente), le fibre mielinate prendono il nome di fibre di tipo A, si suddividono in Alfa, beta, e Delta in base al loro diametro e alla loro velocità. 1- Fibre C: hanno velocità diverse che possono variare da mezzo metro al secondo a 2 m al secondo, dipende dal loro diametro, maggiore è il diametro di queste fibre e più lo stimolo passa veloce perché aumenta landa. 2- Fibre A: anche in questo caso maggiore è il diametro delle fibre e più velocemente verrà trasmesso lo stimolo in questo caso però la spiegazione è diversa perché non è tanto la costante di spazio aumenta, quanto invece, il fatto che il rapporto tra sezione mielinata e sezione non mielinata nell’ essere umano si aggira tra il 20 e il 30% di 20 30% , questo vuol dire che più la fibra è grossa più maggiore sarà lo spessore della mielina che ha attorno e maggiore sarà il suo effetto nel ridurre tau. nel grafico accanto possiamo vedere una comparazione tra fibre lente e fibre veloci: le fibre lente di tipo C hanno la stessa velocità di un uomo che cammina, mentre le fibre A beta, vanno alla stessa velocità di un aereo. IL RIFLESSO PATELLARE è il circuito neuronale più semplice che esista. All’interno dei muscoli possiamo trovare una struttura particolare: il fuso neuro muscolare, essenzialmente è un sensore che dice al cervello la lunghezza del muscolo, quindi codifica se il muscolo si sta stirando o se si sta contraendo. Quando il medico col martelletto da un colpetto al legamento, il fuso neuro muscolare viene ingannato e pensa che il quadricipite si stia estendendo fuori dalla volontà e induce così il motoneurone a produrre potenziali d'azione che fanno contrarre il muscolo per contrastare questo effetto ‘involontario’. COME VENGONO CODIFICATI GLI STIMOLI NERVOSI? Vengono codificati attraverso una rappresentazione di tipo analogico, il rettangolino che vediamo sarà tanto più lungo quanto maggiore è la durata dello stimolo. Cosa rappresenta un ‘treno’ di rettangolini? Rappresenta una digitalizzazione del potenziale d’azione che supera un potenziale di soglia, dopodiché in uscita si ha di nuovo una trasformazione in senso analogico. questa scoperta è stata fatta da questo scienziato Lord Adrian che sviluppò la teoria del codice di frequenza, quello che faceva nei suoi esperimenti era di far stirare meccanicamente il muscolo di più o di meno e vide che maggiore era la lunghezza del muscolo e maggiore era la frequenza dei potenziali d'azione generati nella fibra, variavano cioè dall’intensità. Va considerata una componente importante: il timing, ovvero la differenza tra il primo potenziale d’azione e il seguente.  FONDAMENTI: QUARTA LEZIONE (12 ottobre 2020) APPROFONDIMENTO POTENZIALE DI INVERSIONE Sappiamo che, se il canale porta una sola corrente ionica, il potenziale di inversione è uguale al potenziale di Nerst per quella specie ionica, quindi: 1- Se misuro un potenziale di inversione di -75mV, vuol dire che quel canale sarà selettivo per il potassio 2- Se misuro un potenziale di inversione di -55mV, vuol dire che quel canale sarà selettivo per il sodio 3- Se misuro un potenziale di inversione di 0mV, dobbiamo ricordarci che non corrisponde a nessun potenziale di Nerst che abbiamo studiato, questo vuol dire che in questo caso il canale non sarà selettivo per una sola specie ionica, bensì per più specie ioniche, probabilmente ci passeranno sia sodio e sia potassio. Quindi → 1- se un canale fa passare una sola specie ionica, potenziale di inversione= Nerst 2- Se un canale fa passare più specie ioniche, potenziale di inversione= media ponderata dei potenziali di Nerst delle specie ioniche che ci passano, dobbiamo però dare un peso alla permeabilità: cioè se un canale è più permeabile al sodio che al potassio, allora il potenziale di inversione finale risulterà più vicino a quello del sodio, nonostante io abbia fatto la media. (Einv: g1E1+g2E2 / gi+g2) Tuttavia, se ho come risultato un potenziale di inversione di 0mV (come abbiamo visto prima) questo vuol dire che i flussi delle specie ioniche si saranno bilanciati: tanto sodio entrerà quanto potassio uscirà. COMUNICAZIONE TRA NEURONI: LA TRASMISSIONE SINAPTICA fino adesso abbiamo visto il funzionamento dei neuroni in modo isolato l'uno all'altro, quindi come se ogni neurone funzionasse da solo, in realtà i neuroni funzionano di concerto con tutti gli altri. Per far sì che ciò accada vi è la trasmissione sinaptica, cioè il modo che hanno due cellule di comunicare e scambiarsi informazioni. Avviene attraverso strutture specializzate che sono chiamate sinapsi → sono fatte di un terminale presinaptico (dendriti apicali/compartimento di ingresso) che è quello che fornisce l'informazione, e un terminale post-sinaptico (dendriti basali/ terminazioni assoniche) che è quello che riceve l'informazione. Tra questi due terminali troviamo un vallo post-sinaptico dell’ordine dei nanometri, davvero molto piccolo. LE SINAPSI Le sinapsi possono essere di due tipi: 1- elettriche (più comuni tra gli invertebrati, nei vertebrati si trovano in strutture più profonde come per esempio nel tronco encefalico) 2- chimiche (più comuni tra i vertebrati, per esempio nella corteccia cerebrale) LE SINAPSI ELETTRICHE Queste sinapsi inducono una continuità citoplasmatica tra la cellula presinaptica e la cellula postsinaptica, questo vuol dire che i citoplasmi delle cellule sono in comunicazione tra loro grazie a delle giunzioni comunicanti (in inglese gap Junction). Le sinapsi elettriche sono molto veloci perché le correnti passano direttamente dentro queste giunzioni comunicanti tra una cellula e l’altra, questa caratteristica inoltre permette la trasmissione bidirezionale: il segnale può andare da A → B o da B→A LE GIUNZIONI COMUNICANTI Una giunzione comunicante è fatta da una serie di canali, ogni canale è fatto la due emi-canali, ogni emi-canale è chiamato connessone ed è composto da sei subunità chiamate connessine (giunzione → canali→2 emi-canali/connessoni →6 subunità/connessine). Le connessine si dispongono in modo circolare attorno al poro acquoso che come abbiamo visto permette la comunicazione dei citoplasmi, qui infatti fluiscono le correnti ioniche. La maggior parte di queste giunzioni si trovano in forma aperta, tuttavia la loro apertura può essere modulata o dalla presenza di calcio intracellulare o dal PH intracellulare, questi infatti sono stimoli che fanno cambiare la conformazione da aperta a chiusa e viceversa. Vengono utilizzate spesso per sincronizzare le risposte di popolazioni neuronali: esperimento→ vediamo un esempio in questo animale, Plisia o lepre di mare, che è stato molto utilizzato negli studi di elettrofisiologia. Questo animale ha una serie di risposte comportamentali stereotipate: quando le si tocca la coda, contrae i muscoli della sacca dell'inchiostro e quindi emette l'inchiostro per difendersi dai predatori. Ma come fa da uno stimolo tattile a contrarre la sacca? i nervi della coda in presenza di uno stimolo tattile producono dei potenziali d'azione che vanno eccitare le popolazioni di motoneuroni, i motoneuroni in conseguenza poi produrranno dei potenziali d'azione che andranno a stimolare i muscoli della sacca dell'inchiostro per lasciare l’inchiostro. Come fa il segnale a propagarsi? i vari motoneuroni sono collegati tra di loro da giunzioni comunicanti quindi questo vuol dire che basta che uno solo di essi produca un potenziale d'azione che questo si propaga tra tutta la popolazione dei motoneuroni: per questo il rilascio di inchiostro sarà molto potente, perché interviene un’intera popolazione di motoneuroni. LE SINAPSI CHIMICHE Una sinapsi chimica ha alcune differenze rispetto a quella elettrica 1- non ha le giunzioni comunicanti come la sinapsi elettrica, bensì sul suo terminale presinaptico sono presenti delle altre strutture che prendono il nome di vescicole sinaptiche→ queste vescicole sinaptiche (organelli di deposito) contengono una sostanza che viene detta neurotrasmettitore che ha il ruolo di passare l'informazione della cellula presinaptica alla cellula postsinaptica. Quando arriva il potenziale d'azione, queste vescicole sinaptiche vengono fuse con la membrana, il neurotrasmettitore (la loro sostanza) viene rilasciato nel vallo sinaptico, attraversa il vallo sinaptico e arriva quindi nel sulla membrana postsinaptica (della cellula seguente) trasportando l'informazione. (NB: il Vallo sinaptico delle sinapsi chimiche e più grande e più largo di quello delle sinapsi elettriche). 2- In generale la sinapsi chimiche sono più lente rispetto a quelle elettriche, questo perché in quelle elettriche c'è un passaggio diretto di corrente molto semplice, invece in quelle chimiche si deve innescare tutto questo meccanismo. 3- Sono unidirezionali, l'informazione passa solo dalla cellula A alla cellula B, A→B e non viceversa. 4- Al contrario di quelle elettriche, permettono l'amplificazione del segnale. 5- In risposta a un potenziale d'azione nel presinaptico (cellula di inizio), una sinapsi elettrica può produrre nel postsinaptico (cellula finale) solo una depolarizzazione, al contrario la sinapsi chimica in risposta una potenziale d'azione presinaptico potrà produrre nel postsinaptico una depolarizzazione o una iperpolarizzazione. Vediamo meglio come funzionano le sinapsi chimiche, soprattutto la parte del presinaptico, cioè della cellula di inizio. Quando arriva il potenziale d'azione del presinaptico (cellula di inizio), si attivano dei canali calcio voltaggio-dipendenti ad alta soglia che sono normalmente chiusi → quando arriva invece un potenziale d’azione, fanno entrare del calcio nel terminale presinaptico, il calcio ora si legherà a dei complessi proteici, presenti sulla superficie delle vescicole, chiamati: complessi Sneijder, questo causerà la fusione delle vescicole e la liberazione della sostanza di neurotrasmettitore che poi si diffonderà nel vallo sinaptico, fino arrivare sul terminale post sinaptico dove si legherà a dei recettori sinaptici specifici solo per un singolo neurotrasmettitore. NB: (non è detto che ogni volta che ci sia un potenziale d'azione nel presinaptico questo poi per forza ricomparirà nel postsinaptico, infatti si va a creare è una risposta graduata, e solitamente una sola sinapsi che si attiva non è sufficiente a indurre un potenziale d'azione nel postsinaptico → solamente se 70 sinapsi di tipo eccitatorio si attivano allo stesso tempo, allora il potenziale di membrana potrebbe aumentare così tanto da superare la soglia del potenziale d'azione e innescare quindi un nuovo potenziale d'azione nel postsinaptico, se questo non succede allora semplicemente la comunicazione termina). La prima curva rappresenta un potenziale d'azione che lascia il presinaptico → nel postsinaptico si può indurre una depolarizzazione o una iperpolarizzazione, se la depolarizzazione non raggiunge la soglia si chiama EPSP e finisce qui. Se invece raggiunge la soglia si produrrà un potenziale d'azione che però avrà un ritardo che è il tempo necessario perché la sinapsi di tipo chimico, ma anche di tipo elettrico sebbene sia più veloce, si attivi e faccia passare il potenziale d’azione. Sono stati realizzati dagli esperimenti per capire quale fosse lo ione necessario all’attivazione della sinapsi → si usavano delle sostanze che eliminano il calcio dall’interno del terminale presinaptico, chiamati chelanti del calcio ed è stato visto che in questa situazione la trasmissione sinaptica non avviene (pur in presenza di potenziali d'azione). Iniettando il calcio direttamente nel terminale presinaptico, la trasmissione sinaptica avviene anche in assenza di potenziali d'azione!! → lo ione che è sufficiente e necessario per la trasmissione sinaptica, di tipo chimico, è lo ione calcio nel terminale presinaptico. Inoltre più calcio ho nel presinaptico, più la trasmissione sarà efficace. LE GIUNZIONI NEUROMUSCOLARI, NEURONE-MUSCOLO Noi siamo interessati alle sinapsi tra neurone e neurone, però per capirle meglio parleremo prima delle sinapsi tra neurone e muscolo: chiamate giunzioni neuromuscolari questo tipo di sinapsi è chiamata anche placca neuromuscolare ed è responsabile del movimento dei muscoli in seguito all’ attivazione dei motoneuroni, sono sinapsi di tipo chimico organizzate in questo modo: vi è una zona chiamata zona attiva, nella quale avviene la trasmissione sinaptica, nel terminale presinaptico ci sono le vescicole sinaptiche ripiene di un neurotrasmettitore particolare che viene chiamato Acetilcolina, sul terminale postsinaptico ci saranno poi recettori specifici per l’acetilcolina, chiamati recettori nicotinici, questo tipo di sinapsi è una sinapsi di tipo eccitatorio è di tipo ionotropico, questo perché i recettori postsinaptici delle sinapsi chimiche possono essere di due tipi: ionotropici o metabotropici, quelli ionotropici sono più semplici come meccanismo rispetto a quelli metabotropici → nella giunzione neuromuscolare c’è solo un tipo di recettore che è quello ionotropico IL TERMINALE PRE-SINAPTICO NELLA GIUNZIONE NEUROMUSCOLARE quindi ripetiamo di nuovo quello che succede: il potenziale d'azione arriva nel terminale presinaptico del motoneurone, induce l'apertura dei canali calcio voltaggio-dipendenti ad alta soglia e ciò causa→ l'ingresso di calcio, ci sarà ora un sottogruppo di vescicole sinaptiche che è già pronto per essere rilasciato, sono già molto vicine alla membrana pronte a fondersi con essa, nel momento in cui il calcio entra nel terminale per sinaptico→ esse si fondono e rilasciano il neurotrasmettitore all'esterno. L’acetilcolina adesso è uscita e si trova nel vallo sinaptico→ essa si diffonde fino alla membrana postsinaptica dove si lega ai suoi recettori specifici nicotinici, che causano il passaggio di correnti, chiamate correnti postsinaptiche/correnti di placca → esse causeranno una depolarizzazione nel postsinaptico che si chiamerà potenziale di placca, (questo nome perché? Vale solamente per le sinapsi neuromuscolari, quando invece parliamo di sinapsi tra neuroni non c'è questo suffisso ‘placca’ , si chiamano diversamente.) Se poi la depolarizzazione nel postsinaptico sarà sufficientemente ampia da superare il valore di soglia per la generazione del potenziale d'azione, si avrà quindi la contrazione del muscolo. Eliminare il neurotrasmettitore →C’è un problema però: il neurotrasmettitore non può rimanere troppo a lungo nel Vallo sinaptico, perché altrimenti la trasmissione sinaptica non sarebbe possibile: nel caso della sinapsi neuromuscolare il muscolo sentirebbe di continuo l'impulso a contrarsi → si avrebbe un Tetano, ovvero una contrazione continua del muscolo a causa dello stimolo continuo. per questo ci sono dei meccanismi che eliminano il neurotrasmettitore: 1- nel caso della placca neuromuscolare il meccanismo principale è dato dall' idrolisi → è presente un enzima di membrana, chiamato Acetilcolina-esterasi che idrolizza l'acetilcolina distruggendola ed eliminando quindi la sua azione, questo meccanismo di idrolisi è abbastanza raro e non è presente in molti altri neurotrasmettitori oltre all’acetilcolina. 2- un altro meccanismo è la diffusione al di fuori della fessura sinaptica, ovvero il neurotrasmettitore si diffonde fuori dal Vallo sinaptico e si va poi a diluire nel liquido extracellulare 3- meccanismo della ricaptazione o recupero, nel quale la cellula presinaptica utilizza dei trasportatori che recuperano il neurotrasmettitore, lo riciclano e lo riutilizzano, inserendolo in delle nuove vescicole sinaptiche, che poi lo utilizzeranno nella successiva comunicazione. nel caso della sinapsi neuromuscolare, questo avviene in un modo un po' particolare: non viene recuperato l'intero neurotrasmettitore ma solamente la Colina, che sarebbe uno dei due frammenti che rimangono dopo l’idrolisi del neurotrasmettitore. Solitamente invece viene recapitato l’intero neurotrasmettitore. sempre per quanto riguarda la trasmissione tra neuroni quindi non quella della sinapsi neuromuscolare la ricaptazione può avvenire anche da parte degli astrociti che sono un tipo di cellule gliali in questo caso quindi la sua uscita prende neurotrasmettitore e poi lo passa al neurone e quindi lo ricicla per fare nuove vescicole sinaptiche il