Sbobinatura lezione sul Potenziale d\'azione PDF

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Lezione di fondamenti anatomo fisiologici sul potenziale d'azione....

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05/10/2017 pomeriggio Potenziale d’azione non è un numero, è un segnale che ha una certa durata nel tempo e una certa ampiezza, più o meno fissa, circa un escursione dai -60mV ai 30/+40mV, circa un centinaio di escursioni, un segnale molto grande e la durata molto breve, dell’ordine dei millisecondi. È una variazione del potenziale di membrana che si innesca a seguito di una depolarizzazione che supera la soglia locale, quindi -30mV nell’assone, -50mV al terminale assonico e quindi consiste in una stereotipata successione di una fase depolarizzante e di una fase ripolarizzante, ugualmente seguita da una iperpolarizzazione postuma, quindi, mentre il potenziale di riposo, il potenziale di equilibrio e il potenziale di inversione sono valori, il PdA è un segnale, è una serie di valori del potenziale di membrana che vengono assunti sequenzialmente nel tempo in maniera stereotipata, sempre seguendo la stessa sequeza, perché abbiamo detto, si aprono i canali Na voltaggio dipendenti, c’è la rapida depolarizzazione, poi si chiudono, si aprono i canali K voltaggio dipendenti e c’è la rapida ripolarizzazione con eventuale iperpolarizzazione postuma, quindi, non verrà mai chiesto qual è il valore del PdA, potrebbe essere chiesto qual è il massimo valore depolarizzante raggiunto al picco del PdA: +40/+40mV; mentre può essere chiesto qual è il valore delle cellule a potenziale di riposo oppure qual è il valore del potenziale di equilibrio del K. Il potenziale di inversione è un numero e in particolare un potenziale, quindi è il potenziale per cui la corrente è 0, ma non è necessariamente 0, possiamo avere una corrente 0 a -75mV per la corrente K, ma +55mV per la corrente Na. Quindi il potenziale di inversione è quel potenziale per cui la corrente di membrana è 0, la curva attraversa l’asse delle ascisse; può darsi che ci ci siano potenziali di inversione a valore 0, allora il potenziale di inversione per cui la corrente che incontreremo durante la trasmissione sinaptica è 0milliampere è 0mV, ma è un caso. Non bisogna sbagliarci se uno degli elementi è 0, non è detto che lo sia anche l’altro. Il valore del potenziale di membrana per cui la curva attraversa l’ascissa per cui la corrente è 0 dipende dalla corrente ionica che stiamo studiando. Proprietà di membrana: Alcuni canali ionici che costituiscono come tipologia e come numero la principale sorgente delle diverse proprietà di membrana sono presenti dovunque e in qualunque cellula nervosa per esempio quelli che supportano l’esistenza del potenziale di riposo. Alcuni canali sono abbastanza ubiquitari, sono presenti in quasi tutte le cellule nervose (es canali voltaggio dipendenti del Na e del K, in tutte le cellule nervose che sono in grado di innescare il PdA devono possederli, non in tutti i compartimenti, ma nel monticolo assonico e nell’assone). Alcuni canali ionici sono presenti solo in alcuni neuroni e quindi fanno la specificità non del compartimento, ma della cellula. Canali che fanno la specificità delle singole cellule nervose: Un tipo lo abbiamo già visto e sono i CANALI A CONTROLLO MECCANICO, non tutte le cellule esprimono canali a controllo meccanico, quelle che li esprimono sono chiamati MECCANORECETTORI, sono delle cellule in grado di recepire, rilevare la presenza di uno stimolo meccanico, se non possiedono questi canali ionici non sono in grado di rilevare la presenza di uno stimolo meccanico. Troveremo i canali a controllo meccanico ogni volta che ci verrà presentato un meccanorecettore (nel secondo modulo ad esempio nell’uditivo e nel terzo modulo con le cellule che ci consentono di aggiustare la nostra postura utilizzando la misura della posizione degli arti rispetto alla gravità e alle articolazioni). Altri due canali ionici: i CANALI POTASSIO-CALCIO DIPENDENTI e i CANALI CALCIO A BASSA SOGLIA. Quando parliamo di un canale ionico, il nome dello ione a seguire la parola canale ci dice quale ione o quali ioni attraversano quel canale ionico. (se non c’è niente che li fa aprire si dice

‘’passivi’’) Quindi, se diciamo canale K vuol dire che lo ione che passa da quel canale quando è aperto è il K; l’altra, se c’è la specificazione è l’elemento che lo apre: canali Sodio voltaggio dipendenti sono canali permeabili al Na che vengono aperti dalla depolarizzazione; canali Potassio-Calcio dipendenti sono canali ionici permeabili al K che vengono aperti dalla presenza dello ione Ca: questi canali vengono aperti quando aumenta la presenza di Ca. il Ca è uno ione peculiare nel SN, è uno ione positivo quindi quando entra depolarizza come tutti gli ioni positivi che entrano, all’interno della cellula la sua concentrazione è tenuta strettamente sotto controllo ed è dunque bassissima, quando entra depolarizza, ma fa anche altro, ovvero è in grado di attivare dei cambiamenti, o attraverso enzimi o attraverso meccanismi di legame diretto, nella struttura delle proteine/del canale. Ad esempio, se il calcio entra in una cellula che ha dei canali K-Ca dipendenti, questi canali si aprono e a questo punto il K esce e depolarizza siccome è uno ione positivo che esce. Struttura dell’ippocampo → cellula che sta ricevendo un segnale artificiale: lo sperimentatore sta depolarizzando la cellula per un tempo abbastanza lungo, quasi 1 sec. La cellula viene depolarizzata e genera dei PdA, genera 2-3 PdA molto ravvicinati, poi questi cominciano a diradarsi finché la cellula smette di generare PdA, anche se lo stimolo è sempre presente: questa proprietà si chiama adattamento. Questa proprietà permette di rispondere a uno stimolo che continua ad essere presente viene chiamata ‘’adattamento’’. Una cellula che adatta vuol dire che in risposta ad uno stimolo che dura qualche secondo, inizialmente risponde e poi progressivamente riduce la sua risposta fino a smettere completamente di rispondere. L’adattamento lo troveremo moltissimo nel secondo modulo perché è tipico delle cellule dei sistemi sensoriali, ma non solo, anche le cellule dell’ippocampo ad esempio possono adattare. Adesso prendiamo la stessa cellula dell’ippocampo e blocchiamo l’ingresso di Calcio, come faccio? Userò una neurotossina che invece di chiudere i canali del Na chiude quelli del Ca, quindi il Ca non può più entrare in questa cellula. Cosa vedo? Vedo che inizio la stimolazione, la cellula risponde e continua a rispondere per tutto il tempo che lo stimolo è presente, quindi l’adattamento non è più presente. Adesso aspetto un po’ che la sostanza che blocca i canali Ca se ne vada e vedo che la cellula riprende il suo comportamento adattante. Quindi, la presenza di canali K-Ca dipendenti conferisce ad una cellula nervosa una precisa caratteristica: quella di adattare in risposta a stimoli che hanno una durata prolungata nel tempo. Cosa significa questo? Può significare che questa cellula risponde solo a variazioni degli stimoli, quindi, (esempio) se la prof. mantiene un tono di voce esattamente monotono, senza modulare minimamente le inflessioni, le cellule del nostro ippocampo non rispondono più dopo un po', così non ci ricorderemo niente di quello che la professoressa ha appena detto. Se invece modula un pochino la voce, cambia di intensità, la frequenza con cui emette le parole magari l’adattamento si riduce. Perché adatta? Se blocchiamo l’ingresso di calcio, l’iperpolarizzazione postuma scompare; rimuoviamo e blocchiamo il calcio e l’iperpolarizzazione postuma ricompare. Questo significa che in queste cellule l’iperpolarizzazione postuma è sostenuta da canali K che si aprono non tanto in risposta al voltaggio (o non solo), ma ce ne sono alcuni che si aprono in risposta al Ca. Depolarizziamo, i canali Ca si aprono, il Ca entra e a questo punto si aprono i canali K-Ca dipendenti, allora la corrente K è molto ampia e quindi l’iperpolarizzazione postuma sarà ampia. Cosa succede di questo Ca che è entrato? La cellula nervosa cercherà di buttarlo fuori con dei trasportatori o lo metterà nei magazzini intracellulari, però le ci vorrà un po’ di tempo. Quindi, se arriva un altro PdA, entra altro Ca che si accumula, così si apriranno altri canali K-Ca dipendenti e questo è il motivo per cui uno stimolo prolungato nel tempo a un certo punto non evoca più risposta, perché l’apertura dei canali K-Ca dipendenti è così massiccia a questo punto che no è possibile innescare PdA.

Serve adattare perché questa cellula può potenzialmente rispondere in maniera vigorosa allo stimolo oppure in maniera ridotta, a seconda che siano presenti o no questi canali, oppure come nel caso della slide, qui ovviamente sono sempre presenti a seconda se sono funzionali o no. Esempio più complicato: nel corso di 5 minuti possiamo ricevere una grande quantità di informazioni sensoriali, visive, uditive, tattili e dobbiamo filtrarle perché altrimenti la capacità di elaborazione dei sistemi cognitivi non riesce a far fronte. Quindi dobbiamo selezionare le informazioni più rilevati. Come faccio a selezionarle? Posso farlo a priori per esempio mi illudo che quando siete seduti qui l’informazione su cui concentrate la vostra attenzione è quello che vi dico, se poi in realtà state facendo qualcosa altro non posso vedere, ma il quel caso è ovvio che non mi sentirete nemmeno. Oppure può essere un filtro a posteriori, se adesso siamo tutti concentrati verso la cattedra ecc.. arriva un rumore forte dalla porta e la nostra attenzione si dirige da quel lato e ci voltiamo a vedere cos’è successo. Quindi la presenza della capacità di adattare vuol dire che questa cellula può modificare la sua capacità di elaborare e trasmettere informazione fino ad essere totale, quindi massicciamente lo stimolo evoca una risposta, o parziale, e questo è reversibile. Se io in qualche modo regolo l’apertura dei canali Ca mi porto dietro l’apertura dei canali K-Ca dipendenti, oppure se regolo l’apertura di canali K-Ca dipendenti regolo l’adattamento. È una cellula versatile, può essere molto attenta o poco attenta (è l’effetto dell’attenzione che cambia questo metodo di risposta). Le cellule che possiedono i canali K-Ca dipendenti possono avere modi di operazione diversi, da una piena risposta per tutta la durata dello stimolo a risposte più ridotte a seconda dello stato comportamentale. Le cellule che non possiedono questi canali non mostreranno adattamento, o per lo meno questo tipo e avranno quindi una risposta più stereotipata.

Altro tipo di canale ionico che fa la specificità cellulare: CANALI CALCIO VOLTAGGIO DIPENDENTI.

Il calcio per entrare in una cellula nervosa ha a disposizione diversi tipi di canali ionici, sono di 3 tipi, due ad alta soglia, ci vuole una forte depolarizzazione per attivarli e uno a BASSA SOGLIA, che si aprono già con piccole depolarizzazioni. I canali a bassa soglia hanno però una caratteristica: al potenziale di riposo sono inattivi. Esempio di una cellula nervosa che possiede i canali calcio a bassa soglia: La parte

cellula qui da

potenziale di riposo; supponiamo che sia una cellula visiva e che riceva 4 stimoli visivi di breve durata. Per ognuno di questi stimoli genera un PdA (1o stimolo PdA, 2o stimolo PdA ecc..); dal punto di vista della codifica dell’informazione ha fedelmente codificato la presenza di 4 stimoli che arrivano a tempo diverso e avendo generato potenziale d’azione trasmette informazione alle cellule visive successive dei circuiti. Adesso prendiamo la stessa cellula: la iperpolarizziamo e poi la riportiamo a potenziale di riposo e adesso diamo gli stessi stimoli di prima; la cellula risponde, ma in modo completamente differente. Genera una fortissima depolarizzazione al picco della quale ci mette 4/5 PdA molto ravvicinati, poi entra in uno stato di iperpolarizzazione e di silenzio. Ha codificato i quattro stimoli che ha ricevuto? NO. Ha fatto un’altra cosa. Perché succede questo? Perché questa cellula possiede canali calcio a bassa soglia che a potenziale di riposo sono chiusi e inattivabili, quindi, la cellula si depolarizza, si aprono i canali sodio voltaggio dipendenti normali, genera PdA. Se la iperpolarizziamo i canali calcio a bassa soglia si sbloccano, sono sempre chiusi, ma adesso sono attivabili, il cancello di inattivazione si apre. Adesso depolarizziamo la cellula e si sprono, fanno entrare tantissimo calcio perché hanno una resistenza molto bassa, talmente tanto che questo crea quasi un PdA calcio, una risposta depolarizzante che si autoamplifica al picco della quale la cellula ci mette numerosi PdA classici Na e K. Dopodiché l’ingresso massiccio di calcio avrà causato l’apertura dei canali K-Ca dipendenti, la cellula si iperpolarizza e va in un silenzio dal quale si riprenderà ora vedremo con quale meccanismo. Questa è la realtà, ovvero, non è che si limita a generare questa salpa di potenziali di azione poi si iperopolarizza e li rimane, a questo punto parte un processo di depolarizzazione che riporta la cellula a valori di attivazione dei canali calcio a bassa soglia, altra attività con PdA; poi di nuovo un periodo di iperpolarizzazione e silenzio e poi un periodo di attività. Quindi, mentre in questo caso (1o caso) la cellula riceveva e trasmetteva informazioni fedeli sulle informazioni sensoriali provenienti dall’esterno, in questo caso la cellula è impegnata a fare una cosa diversa, è impegnata ad essere ritmicamente attiva (attiva - non attiva, attiva - non attiva..), non trasmette alcuna informazione su quello che riceve dal mondo esterno (abbiamo detto che potrebbe essere una cellula visiva, se fuori c’è un evento visivo non viene minimamente registrato da questa cellula, mentre è impegnata in questa attività ritmica). Questa è la situazione che si verifica durante il sonno a onde lente. Queste cellule che possiedono i canali a bassa soglia (non tutte le cellule li possiedono, ovviamente) si trovano ad esempio in una struttura che non è corticale, ma si trova sotto la corteccia cerebrale che si chiama talamo; ogni informazione sensoriale che proviene dall’esterno, visiva, uditiva, olfattiva.. non arriva dagli organi sensoriali direttamente alla corteccia cerebrale, ma passa prima da questa struttura che si chiama talamo.

Quindi il talamo viene definito ‘’la porta d’accesso alla percezione cosciente’’ perché nessuna percezione cosciente ha origine se non c’è attività della corteccia cerebrale. Se abbiamo un soggetto che ha avuto una lesione alla corteccia occipitale, anche se le cellule della retina rispondono benissimo agli stimoli visivi e cieco, non avrà nessuna percezione cosciente, perché la corteccia visiva non elabora i segnali. In questo caso, durante il sonno a onde lente le cellule talamiche non trasmettono alla corteccia visiva le informazioni che ricevono dall’occhio e quindi la corteccia non riceve alcune informazioni dal mondo esterno. Durante il sonno a onde lente le cellule talamiche è come se fossero un cancello chiuso, alla corteccia l’informazione sensoriale non arriva e quindi la percezione cosciente non è presente. Perché hanno questi due modi di funzionare? Quello in cui trasmettono fedelmente l’informazione (quello in cui siamo svegli) e quello invece dove sono impegnate in un’attività ritmica oscillatoria? Il motivo è l’esistenza dei canali calcio a bassa soglia: nel momento in cui si va verso il sonno a onde lente le cellule talamiche si iperpolarizzano, i canali calcio a basa soglia si sbloccano ed entrando quindi in questo ciclo di oscillazione ritmica della loro attività. Il motivo per cui avviene questo ancora non è perfettamente compreso, ma fa parte degli effetti benefici che il sonno esplica sull’organismo a tutti gli effetti, anche sui processi cognitivi, e che giustificano l’esistenza di questa pericolosissima fase della nostra vita in cui siamo completamente inconsapevole di quello che avviene intorno a noi, ma il vantaggio di avere una fase di questo tipo è talmente forte che supera ogni eventuale pericolo del perdere il controllo sul mondo esterno. L cellule che possiedono i canali calcio a bassa soglia possono avere questi due modi di funzionare: fedele trasmissione-attività ritmica oscillatoria e cellule che non li possiedono non hanno questo doppio modo di funzionamento. Quindi, sia i canali potassio-calcio dipendenti che i canali calcio a bassa soglia sono esempi di come l’espressione di canali diversi in cellule diverse conferisca proprietà di risposte e funzionamento diverse alla varietà di cellule nervose che noi abbiamo nel nostro SN. LTS → low tension style (canali calcio a bassa soglia). Fin’ora abbiamo visto esempi di diverse proprietà di membrana basati o sul numero, per esempio il monticolo assonico non è che ha dei canali diversi dall’assone, ha i canali sodio voltaggio dipendenti, ma ne ha di più e quindi la soglia è più bassa e lì si innesca il PdA, oppure il tipo meccanorecettore, hanno i canali a controllo meccanico, le cellule che adattano nell’ippocampo possiedono i canali potassio calcio dipendenti, le cellule oscillatorie del talamo possiedono i canali calcio a bassa soglia. Cellule diverse o compartimenti diversi hanno funzioni diverse e quindi sono dotate di proprietà molecolari diverse. Del PdA abbiamo visto il suo innesco, che tendenzialmente avviene al monticolo assonico, quindi il punto in cui l’assone emerge nel corpo cellulare, dunque c’è l’andamento del tempo del potenziale di membrana durante un PdA al monticolo assonico. Questo abbiamo detto è il segnale di conduzione, quindi mi aspetto che viaggi fino al terminale assonico, che è il compartimento di uscita, però ancora non è stato detto come fa a viaggiare..

CONDUZIONE DEL POTENZIALE D’AZIONE LUNGO L’ASSONE

Quello che viene trasmesso è la corrente e il PdA viene rigenerato.

Riflettiamo su cosa succede quando depolarizziamo un punto lungo l’assone: depolarizziamo un punto della membrana, quindi tutto il resto della membrana è negativo dentro e positivo fuori. Che cosa succede? Membrana a riposo: positiva fuori, negativa dentro, c’è la pompa sodio-potassio e poi ci sono le due correnti, potassio in uscita e sodio in ingresso, tipiche della situazione di risposo, si bilanciano quindi il potenziale rimane stabile, ma devo bilanciare le concentrazioni con la pompa sodio-potassio. Adesso depolarizziamo un pezzo di membrana, che ora è positivo dentro e negativo fuori; sono entrate cariche positive che si sono piazzate sulla faccia interna della membrana, dalla faccia esterna se ne sono andate le cariche positive, quindi adesso la corrente capacitiva è positiva dentro e negativa fuori. Cosa succede? Si aprono i canali sodio voltaggio dipendenti e ci si innesca un potenziale d’azione; però succede anche un’altra cosa: guardando l’interno dell’assone, prima era allo stesso potenziale, ovvero tutto negativo sulla faccia interna della membrana, adesso invece questo punto è positivo e gli altri sono negativi. Si è generata una differenza di potenziale dentro l’assone; adesso le cariche positive (il sodio che è entrato, ma anche il potassio che è dentro) saranno portate a muoversi dalla parte che è diventata positiva rispetto alle zone ancora a riposo (dunque verso le parti negative). Non c’è solo un passaggio attraverso la membrana perché si sono aperti i canali voltaggio dipendenti, anche dentro la cellula/l’assone le cariche si muovono perché c’è un punto positivo rispetto agli altri a riposo che sono ancora negativi. La corrente disponibile ad attraversare i canali depolarizzando la membrana e generando i PdA diminuisce gradualmente con la distanza dal punto in cui è insorta la prima depolarizzazione perché sfugge attraverso la membrana e quindi ce n’è di meno per correre lungo l’assone. Abbiamo disperso parte delle cariche infra-assonali che si sono disperse attraverso la membrana quindi ce n’è di meno per depolarizzare a distanza. Quando una zona si depolarizza le cariche positive vanno a depolarizzare le zone adiacenti, si spostano e vanno a rendere meno negative e depolarizzano le zone adiacenti; man mano che mi sposto dalla zona iniziale di depolarizzazione questa corrente che si chiama corrente elettrotonica e che depolarizza a distanza diventa sempre più piccola. Nel punto in cui c’è stata una depolarizzazione in potenziale intracellulare è diventato positivo rispetto ai tratti di membrana a riposo, questo genera una f.e.m, le cariche positive intracellulari, il potassio principalmente e il sodio che è entrato si spostano dal punto depolarizzato ai...