Potenziale d'azione | NEUROSCIENZE - Lezione 4

[Musica] [Musica] [Musica] Ben ritrovati a tutti nella playlist di neuroscienza. Dopo aver trattato i primi tre argomenti, c'è un'introduzione alle neuroscienze per capire di cosa tratta questa materia. Abbiamo poi visto come è fatto un neurone e qual è la sua funzione, e poi successivamente le cellule gliali.

Oggi andiamo a trattare uno degli argomenti più complicati di questa materia, e cioè come fa a propagarsi il segnale nervoso, che poi sostanzialmente è un segnale elettrico, all'interno dei neuroni, tra un neurone e l'altro. Andremo quindi ad affrontare per primo l'argomento denominato potenziale d'azione, e cioè come si scatena il segnale. E poi vedremo anche come viene trasmesso tra un neurone e l'altro, e quindi andremo a trattare le sinapsi.

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Innanzitutto, a cosa serve la trasmissione dell'impulso nervoso? Il nostro sistema nervoso serve a ricevere gli stimoli, elaborarli e poi calibrare una risposta, così da poterci adattare all'ambiente circostante. Di conseguenza, i neuroni, e cioè le cellule più importanti del sistema nervoso, hanno due caratteristiche principali: l'eccitabilità, e cioè la capacità di generare un impulso elettrico in risposta ad uno stimolo, e la conducibilità, e cioè questo impulso lo devono trasmettere, soprattutto ad altre cellule.

Per fare questo, dobbiamo capire come si strutturano le cariche a ridosso della membrana plasmatica del neurone. Faccio alcune precisazioni iniziali. Innanzitutto, attraverso la membrana plasmatica delle cellule, gli ioni, e quindi gli atomi o le molecole con carica positiva o negativa, non possono diffondere in modo semplice. E cioè, per far passare una molecola, un atomo carico, deve passare per forza attraverso dei canali di membrana, e cioè dei canali proteici, delle proteine fatte a canestro che facilitano questo passaggio. Se no, semplicemente, gli ioni più, gli ioni meno, non possono, anche le molecole molto grandi, in realtà, non possono passare attraverso la membrana.

Altra precisazione molto importante è che solitamente gli ioni, ma come qualsiasi altra molecola, tendono a diffondere secondo gradiente. Il gradiente può essere chimico o elettrico. E cioè, prendiamo il gradiente chimico, ad esempio, se io ho una grande quantità, una grande concentrazione di una determinata molecola da una parte della membrana e una bassa concentrazione dall'altra parte della membrana, ecco che quella molecola vorrà passare da dove ce n'è di più a dove ce n'è di meno, e cioè si dice che vorrà diffondere secondo gradiente. Questa è una proprietà importante di ogni sistema che viene separato dalla membrana semipermeabile.

Ecco da qua, allora, possiamo andare a studiare come si distribuiscono le cariche all'interno e all'esterno della membrana e di conseguenza, quindi, come avviene la trasmissione dell'impulso elettrico. Prima di tutto, le cellule nervose trasformano in impulsi elettrici stimoli di varia natura. In condizioni di riposo, cioè in assenza di stimoli, la membrana dei neuroni è lievemente, si dice, polarizzata. Polarizzata vuol dire che ha una diversità, in questo caso, di cariche tra interno ed esterno. Prevalgono le cariche negative all'interno, prevalgono le cariche positive all'esterno. Quindi, abbiamo fuori dalla membrana più e dentro la membrana meno.

Ora, questa polarizzazione non è assoluta, non abbiamo solo più e solo meno, ma abbiamo un po' più di cariche positive all'esterno, un po' più di cariche negative all'interno della membrana, e cioè nel citoplasma. Questo da cosa dipende? Dipende dalla distribuzione principalmente di due tipi di ioni che si distribuiscono in maniera diversa ai due lati della membrana. All'esterno, la cellula è ricca di ioni Na+ e ne ha più, e cioè lo ione sodio. Ci sono anche gli ioni Cl- che vanno a bilanciare, a controbilanciare questi ioni sodio, che sono gli ioni del cloro. Però, in questo momento, degli ioni negativi non ce ne preoccupiamo.

Nel citoplasma, quindi all'interno della membrana, invece, i principali ioni positivi non sono più i sodio, ma sono gli ioni K+, cioè gli ioni potassio. Ma predominano in questo caso gli ioni negativi, che sono i gruppi fosfato all'interno della cellula. Quindi, noi abbiamo una grande quantità di ioni Na+ fuori dalla cellula, una piccola quantità di ioni K+ all'interno della cellula. Poi ci sono anche dei K+ fuori, ma sono pochissimi. Ci sono anche degli Na+ dentro, ma sono pochissimi.

Tutto questo lo vediamo in questa bella immagine, in cui notiamo quanti Na+ ci sono fuori, ci sono anche dei K+, quanti K+ ci sono dentro, ci sono anche degli Na+. Ecco, però le cariche positive, cioè tutti i più sommati insieme, saranno molto maggiori fuori rispetto a dentro. Tant'è che il potenziale di riposo, cioè il potenziale, quindi la differenza che si viene a creare nel momento in cui la cellula non deve trasmettere nessuno stimolo, è di meno 60, meno 70 millivolt. Noi utilizzeremo meno 70 perché ci viene più comodo. Ovviamente, tutte le misure che utilizziamo sono un circa, e cioè sono misure che in linea di massima sono così. Poi, a seconda delle cellule, a seconda della situazione, potrebbero variare, ma non di tantissimo.

Ecco, quindi possiamo dire che il potenziale di riposo è dovuto alla differenza di concentrazione degli ioni ai due lati della membrana. Ci sono molti più ioni positivi, sia che siano Na+ che K+. Noi sappiamo che però sono in predominanza Na+ all'esterno, mentre invece ci sono molti meno ioni positivi all'interno. Predominano i K+, però comunque sono meno rispetto a quelli dell'esterno. Quindi, noi abbiamo un esterno caricato positivamente, un interno caricato negativamente. Di conseguenza, se noi infiliamo un voltmetro che va a misurarci con due elettrodi l'interno e l'esterno della membrana, misuriamo che all'interno, cioè nel citoplasma, abbiamo un meno 70 millivolt, quindi una differenza di potenziale tra interno ed esterno di meno 70 millivolt.

Ora, ci si chiede: ok, ma perché nelle cellule, e più precisamente nei neuroni, viene mantenuta questa disparità di cariche tra interno ed esterno? Ecco, questo viene fatto, possiamo dire, in un certo senso apposta, tramite dei canali, dei canali proteici, cioè delle proteine fatte a canestro, che voi vedete qua nell'immagine, molto ben fatte, che vanno a determinare, quindi, questa differenza di carica. Queste proteine canale sono i canali del potassio, i canali del sodio, ovviamente, poi c'è una pompa sodio-potassio. Le pompe sono dei canali che funzionano attraverso l'utilizzo di ATP. Ecco, questa parte riguardante il trasporto transmembrana, lo potete andare a riprendere in un video apposito, e cioè la lezione riguardante le membrane cellulari. Per farla molto breve, però, e dare un piccolo ripasso, la pompa sodio-potassio porta 3 ioni sodio fuori e 2 ioni potassio dentro. Quindi, per ogni 3 sodio che porta fuori, porta 2 potassio dentro. Questo lo fa anche contro gradiente, cioè non gli interessa se ci sono troppi sodio fuori o troppi potassio dentro, lei lo fa perché lo fa consumando energia, e cioè proprio una pompa, cioè lei spinge 3 sodio fuori e spinge 3 potassio dentro. Ogni volta che porta 3 sodio, porta 3 potassio per forza, riporta modo opposto, cioè butta fuori sodio, porta dentro potassio, anche contro gradiente, come abbiamo detto.

Ecco, questi canali ionici possono essere regolati dal voltaggio, quindi a seconda che gli arrivi una carica elettrica, da gradiente chimico, quindi i vari canali, non la pompa sodio-potassio, possono essere governati dal gradiente chimico, e cioè quanta di quella specie ce n'è già fuori o dentro, oppure meccanicamente. Ecco, certi canali possono essere anche influenzati da alcune situazioni meccaniche, fisiche.

Avendo capito, quindi, come va a stabilirsi il potenziale di riposo, e cioè quando la cellula sostanzialmente non fa niente, dobbiamo andare a vedere come parte l'impulso. Lo vediamo bene in questa slide, in questa immagine, vi ho segnato con la freccia rossa la soglia, e cioè il punto in cui l'impulso parte. Allora, dobbiamo dire che potrebbero arrivare i vari stimoli. Ogni stimolo può andare ad alterare la differenza di potenziale della membrana, perché vari stimoli, come abbiamo detto, meccanici, chimici o anche elettrici, possono andare ad aprire o chiudere determinati canali. Però, finché un impulso non è abbastanza forte, che non fa cambiare radicalmente il potenziale di membrana, ecco che il segnale non parte.

Per far sì che il segnale parta, questo stimolo deve riuscire a far cambiare il potenziale di membrana da meno 70, che è quello di riposo, fino a meno 50. Se non arriva a meno 50, non parte nulla. Saranno degli stimoli che però non andranno a influire sulla trasmissione del segnale, non faranno partire nessun segnale. Nel momento, però, in cui uno stimolo è abbastanza forte per arrivare, far cambiare il potenziale di membrana e farlo arrivare a meno 50 millivolt, ecco che a questo punto parte una catena di eventi che si chiama proprio potenziale d'azione.

Il primo evento è l'apertura di determinati canali, solitamente sodio, che fanno entrare appunto un po' di ioni sodio. In questo caso, quindi, questa cosa viene fatta dalla gente stimolante che va a stimolare proprio questa entrata. Ecco che questa entrata di ioni sodio fa variare inizialmente il potenziale di membrana. Quando raggiunge meno 50, come dicevamo, arriva un evento molto importante, e cioè si aprono, lo vediamo bene in quest'immagine, i canali sodio voltaggio-dipendenti. E cioè, un po' come se la cellula avesse capito: "Cavolo, mi è arrivato uno stimolo molto forte qua, devo far partire un segnale". Allora qua si mette d'impegno per farlo partire, sostanzialmente, e quindi va a far aprire i canali sodio voltaggio-dipendenti. E cioè, sono dei canali sodio che si aprono grazie al voltaggio, grazie alla corrente elettrica. Questo perché sono canali che proprio hanno percepito che è cambiato il potenziale di membrana e si sono aperti.

Allora qua, però, entrano a cascata gli ioni sodio, lo vediamo bene qua, cioè tutti gli ioni sodio che erano fuori dalla cellula vengono portati dentro. E allora qua c'è una grande entrata di ioni sodio all'interno della cellula, e c'è una depolarizzazione rapidissima. Ecco, vedete come sale la linea, appunto, misurata dal voltmetro, e cioè quell'apparecchio che mi va a determinare la differenza di potenziale. Questo perché entrando tanti Na+ dentro la cellula, ecco che all'interno della cellula diventa caricato positivamente, raggiunge fino ai più 35 millivolt. Quindi, si passa da un ambiente negativo a un ambiente positivo.

Il potenziale di meno 50 millivolt si chiama potenziale soglia, e cioè il potenziale a cui viene fatto partire l'impulso. Ora vediamo la fase di depolarizzazione. Perché raggiunto questo valore soglia, come abbiamo già detto, molti canali per il sodio, quelli voltaggio-dipendenti, si aprono, e un gran numero di ioni sodio passano dall'esterno all'interno della cellula. Ora, dato che la concentrazione di cariche positive all'interno aumenta considerevolmente, il potenziale si inverte bruscamente, raggiungendo i più 35 millivolt, e questo viene detto proprio potenziale d'azione. Io ho simboleggiato qua nell'immagine quello che avviene. Ora, dovete anche sapere, non l'ho messo nella slide, ma ve lo dico a voce, che a questo punto, raggiunta questa soglia di più 35 millivolt, i canali del sodio voltaggio-dipendenti inattivano, e cioè non fanno entrare altro sodio, perché se no, ovviamente, si potrebbe salire ancora con il potenziale di membrana, ma si bloccano a più 35 millivolt, si inattivano.

Vediamo quali ho inserito l'immagine di quello che succede, e cioè i canali Na+ voltaggio-dipendenti fanno entrare tantissimo sodio. Questa sequenza di eventi, abbiamo detto, viene detta depolarizzazione della membrana e raggiunge un limite di più 35 millivolt. Attenzione, qua è stato fatto partire il segnale, e cioè già dalla slide precedente, in realtà. Ecco che qua abbiamo effettivamente la realizzazione del segnale.

Andiamo avanti. Vediamo quindi poi cosa succede dopo che il segnale è partito, perché ci dovrà essere un ritorno alla situazione di riposo, perché sennò non può partire un successivo segnale. Ecco che pochi istanti dopo, le proteine canale per il sodio si richiamano, come abbiamo detto, però si devono aprire quelle per il potassio, perché in realtà la cellula non fa una grossa distinzione in questa fase tra sodio e potassio. La cellula dice: "Cavolo, mi sono entrati tanti Na+ dentro, devo buttare altrettanti Na+ fuori". Solo che in questo caso, i canali del potassio sono un po' più lenti, e quindi la cellula li apre successivamente. A questo punto, però, quando si aprono, vengono sparati fuori tanti K+. Il potassio, ricordiamolo, ha carica positiva anche lui, e quindi la cellula sostanzialmente cerca di equilibrare il tutto. Essendo che sono entrati tanti Na+ dentro, cerca di portare tanti Na+ fuori. Piccolo problema: non sta riportando fuori sodio che sono entrati, sta riportando fuori potassio. Dopo vedremo questo cosa comporta.

Di conseguenza, i canali per il potassio, che nel frattempo, abbiamo detto, erano chiusi, si aprono, e grazie all'azione della pompa sodio-potassio, vengono anche grazie a lei, vengono ristabilite le condizioni di riposo. Questo processo è detto ripolarizzazione della membrana. I canali del potassio, abbiamo detto, però, che sono lenti a richiusi, e quindi non raggiungono effettivamente il potenziale di riposo, ma siccome ci mettono tanto a chiudersi, fanno uscire un po' più potassio di quello che servirebbe, quindi un po' più cariche positive di quello che servirebbe. E così si avrà un breve momento in cui il potenziale scende sotto anche il valore di riposo, cioè invece che a ritornare a meno 70 millivolt, scende ancora un po' più giù, meno 90 millivolt. Questa fase è chiamata iperpolarizzazione, ed è dovuta proprio alla lentezza nel chiudersi dei canali del potassio.

Ora, come abbiamo detto, però, dopo questa fase di iperpolarizzazione, lo vediamo anche nell'immagine, c'è una fase poi in cui il potenziale ritorna come potenziale di riposo, e quindi piano piano, come c'è scritto anche qua, la pompa sodio-potassio andrà a fare il suo lavoro, riporterà i sodio fuori, i potassio dentro, e piano piano si è ristabilito l'equilibrio, e quindi il potenziale di meno 70 millivolt.

Adesso, grazie alla rappresentazione, cerchiamo di andare a ripassare quello che abbiamo appena studiato in questa lezione. Non sono riuscito a inserire tante animazioni perché è un argomento molto complesso, infatti vedete slide molto piene, molto discorsive. Ho provato, però, in questo modo, cercando di fare un ripasso utilizzando qualcosina di un po' più grafico, un po' più animato. E quindi partiamo dal potenziale di riposo. Abbiamo detto che il potenziale di riposo è meno 70 millivolt. In questo caso prevalgono i più fuori e i meno dentro. Fuori c'è tanto Na+, dentro c'è tanto K+, però ce n'è poco perché ovviamente prevalgono i meno in questo caso. Di conseguenza, abbiamo un potenziale, come abbiamo detto, di meno 70 millivolt.

Ora può arrivare uno stimolo. Nel momento in cui arriva uno stimolo elettrico, chimico o meccanico, fa aprire i canali Na+, cioè i canali del sodio. I canali del sodio si aprono massivamente, entra tanto Na+, e quindi di conseguenza la membrana va a prendere un potenziale positivo, e anche molto positivo, e cioè più 35 millivolt. Questa fase si chiama fase di depolarizzazione della membrana. Ora, però, la cellula deve far tornare tutto a riposo, e quindi cerca di far uscire le cariche positive. Però non fa uscire più Na+, ma fa uscire K+. Di conseguenza, si aprono i canali del potassio, che finora erano chiusi, e si chiudono, però, quelli del sodio. Esce il K+, e questa fase si chiama di ripolarizzazione.

Abbiamo però detto che nella ripolarizzazione c'è anche una fase in cui, essendo i canali del K+ un po' lenti, esce troppo K+, e quindi il potenziale scende sotto la soglia del potenziale di riposo, e quindi scende sotto i meno 70 millivolt, arrivando fino anche a meno 90 millivolt circa. Ecco, questa fase l'abbiamo chiamata iperpolarizzazione. Ora, molto tranquillamente, grazie alle varie proteine di membrana e alla pompa sodio-potassio, ritorna il potenziale di riposo, e cioè vengono riportati i sodio fuori, vengono riportati K+ dentro, viene ristabilito l'equilibrio che c'era prima.

Ecco che questa immagine c'è tutto quello che bisogna sapere. Io, come sempre, vi lascio queste immagini molto elaborate, in cui c'è scritto tutto, dove voi potete mettere in pausa e ripassare. Ma secondo me, non l'ho vado neanche a spiegare perché fino a questo momento ci siamo attenuti a tutto quello che bisognava dire. E allora, io passerei a vedere una successiva fase, e cioè la refrattarietà del neurone. E sì, perché quando il segnale passa, quando quindi viene avviato un potenziale d'azione, non può partire un secondo troppo in fretta, per quanto sia intenso lo stimolo, anche, cioè anche se ci arrivasse uno stimolo molto intenso, non può far ripartire un nuovo potenziale d'azione in questo momento.

Questo periodo di tempo in cui non può partire un secondo potenziale d'azione, quindi un secondo, sostanzialmente, segnale elettrico, viene definito periodo refrattario assoluto. Ma qua dobbiamo fare una piccola distinzione, perché esiste il periodo refrattario assoluto, e cioè durante la fase di rapida depolarizzazione, e quindi quando i canali degli Na+ voltaggio-dipendenti sono tutti aperti, qualsiasi stimolo non può aprirne altri perché sono già tutti aperti. Inoltre, tra l'altro, una volta che la cellula è depolarizzata, i canali sodio sono inattivi, vengono inattivati proprio dal voltaggio. In questa situazione, quindi, qualsiasi stimolo, anche più potente, non riuscirà ad attivare nessun potenziale d'azione, perché i canali o erano già totalmente aperti, o ora totalmente chiusi, nulla può farli aprire di più o chiudere di più, bisognerebbe aggiungerne degli altri. Ecco, e quindi questo periodo viene denominato refrattario assoluto.

Esiste, però, anche un periodo refrattario relativo, e cioè avviene immediatamente dopo il refrattario assoluto, ovviamente, perché avviene quando la membrana è iperpolarizzata, e cioè, se ci ricordiamo, quando la membrana prende un valore di meno 90 millivolt. In questo caso, viene chiamato refrattario relativo, perché non è effettivamente refrattario a tutti gli effetti. E cioè, se mi arriva uno stimolo uguale a quello che ha fatto partire il segnale prima, probabilmente non parte il potenziale d'azione, perché lo stimolo deve essere abbastanza forte da far arrivare, non più da meno 70 a meno 50 millivolt, e cioè il valore soglia, ma deve far arrivare da meno 90, perché in questo caso abbiamo una membrana iperpolarizzata. Quindi, da meno 90 deve far passare il potenziale a meno 50. Capite bene che c'è più strada da fare per un impulso. Di conseguenza, sarebbe uno stimolo molto più forte. Se lo stimolo non è così forte, il nuovo impulso non parte.

E qua vediamo una bella immagine, in cui viene evidenziato il periodo refrattario assoluto, cioè il periodo in cui non può partire in nessun altro stimolo, mentre in rosa più chiaro vedete il periodo refrattario relativo. Relativo perché? Perché in effetti potrebbe partire un nuovo segnale, ma lo stimolo deve essere abbastanza forte da colmare il gap che c'è tra la fase di iperpolarizzazione e il valore soglia. Ecco che, ovviamente, al momento in cui, invece, il potenziale di membrana ritorna, come nel caso all'estrema destra di questa figura, quindi ritorna come potenziale di riposo, a meno 70, basterà uno stimolo come quello iniziale per far ripartire l'impulso.

Bene, ma in effetti, perché questo ci interessa? Perché in effetti la propagazione del segnale avviene in una sola direzione, proprio grazie a questo, cioè grazie al fatto che dove il segnale già passato, e cioè dove il potenziale d'azione è già avvenuto, non riavvia e non può avvenire. Quindi, può arriva, può andare solo in una direzione. E cioè, l'impulso nervoso si trasmette lungo la membrana degli assoni, e fin qua lo sappiamo già, perché lo abbiamo studiato nelle lezioni precedenti. Il potenziale d'azione è un fenomeno elettrochimico localizzato. Perché si verifichi la trasmissione dell'impulso, la depolarizzazione deve trasmettersi dalla zona in cui è avvenuta al tratto immediatamente adiacente.

La propagazione dello stimolo avviene esclusivamente in una direzione, grazie al fatto che nel tratto interessato al potenziale d'azione vige un periodo, come abbiamo detto, refrattario, e cioè che impedisce alla trasmissione della depolarizzazione dalla stessa direzione da cui è provenuta, evitando di fatto che la trasmissione dell'impulso si blocchi o torni indietro. E in questa immagine lo vediamo bene, e cioè la depolarizzazione della membrana in un dato punto fa sì che quel punto, in quel momento lì, diventi refrattario. Di conseguenza, però, la depolarizzazione di quel punto della membrana, entrando tanti ioni sodio, entrando tanti ioni sodio, si va a depolarizzare non solo questo punto, ma ovviamente, essendo che il citoplasma è tutto unito, si vede depolarizzare anche il punto adiacente. Il punto adiacente valuta questa depolarizzazione come un vero e proprio stimolo, e quindi fa ripartire il segnale, fa ripartire il potenziale d'azione, cioè lo valuta come un segnale, come uno stimolo. Di conseguenza, però, anche qua ci sarà poi una situazione di refrattarietà. Però l'entrata degli ioni sodio va a depolarizzare la parte adiacente della membrana, che farà partire una depolarizzazione che diventerà refrattaria, farà partire la depolarizzazione della fase adiacente, e via così. Il segnale si trasmette in questa direzione.

In conclusione, ultima precisazione è che negli esseri umani abbiamo una trasmissione saltatoria. E cioè, gli assoni delle cellule nervose umane sono avvolti, come abbiamo già studiato, dalle cellule di Schwann o dagli oligodendrociti, che formano la guaina mielinica, e cioè una membrana isolante che viene interrotta solo in corrispondenza dei cosiddetti nodi di Ranvier, e cioè i punti in cui appunto non c'è la guaina mielinica. L'impulso nervoso procede, quindi, saltando da un nodo di Ranvier all'altro, e quindi in questo caso avanza molto più rapidamente di quanto farebbe se dovesse percorrere l'intero assone. Esempi di questa cosa sono, appunto, gli assoni dei calamari, ad esempio, delle seppie, che non hanno la guaina mielinica e che devono essere con un diametro molto grosso per far passare il segnale in maniera molto veloce. Negli organismi, invece, molto grandi, in questo caso conviene avere degli assoni isolati e far passare il segnale saltando, vedete, da un nodo di Ranvier all'altro, perché comunque il segnale si propaga, la depolarizzazione avviene lo stesso, fa aprire, come vedete nella seconda parte dell'immagine, i canali del sodio nel secondo nodo di Ranvier, e non può tornare indietro il segnale perché in questa parte c'è una refrattarietà, ma può andare avanti, dove invece i canali non sono ancora stati aperti, che verranno aperti perché questo è un vero e proprio stimolo che gli fa aprire, e via così, il segnale continua a propagarsi.

Bene ragazzi, con questo abbiamo concluso questo argomento, secondo me molto complesso. Spero di essermi fatto capire al massimo, e se così è stato, lasciate pure un mi piace che mi aiutate con l'algoritmo di YouTube. Come già detto, in descrizione troverete il link per effettuare, volendo, una donazione, me ne sono molto grato. E per continuare a seguire i video, le lezioni su questo canale, iscrivetevi. Io con questo vi saluto e vi do appuntamento al prossimo video.