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1 I segnali elettrici generati nei neuroni sono modificazioni del potenziale di riposo determinate dall apertura o chiusura di canali ionici: Potenziali graduati (risposte passive): modulabili in ampiezza, subiscono decremento man mano che si allontanano dal punto dove sono stati generati. Potenziale d azione: fenomeno non graduabile in ampiezza, ma modulabile in frequenza, che si propaga a distanza senza decremento.

2 Corrente + - Potenziale Variazioni del potenziale di riposo in condizioni sperimentali Corrente - + Iperpolarizzazione Potenziale Potenziale di membrana (mv) Corrente (na) Corrente uscente Corrente entrante Potenziale d azione Depolarizzazione

3 I neuroni possono generare i loro messaggi grazie a: Canali ionici (conduttanza (o resistenza) di membrana) Gradienti elettrochimici di certi ioni (forza elettromotrice per la creazione di correnti ioniche) Capacità della membrana di accumulare cariche elettriche (condensatore)

4 I neuroni possiedono tre proprietà passive importanti per la genesi dei messaggi elettrici: Resistenza della membrana a riposo Capacità della membrana Resistenza assiale intracellulare dell assone e dei dendriti Queste proprietà determinano l andamento temporale e l ampiezza delle variazioni di potenziale innescate da correnti attive che entrano o escono dalla cellula. Permettono quindi di spiegare, attraverso un modello di circuito elettrico semplificato (circuito equivalente), alcune caratteristiche delle risposte neuronali.

5 Circuito elettrico di una membrana a riposo

6 Esterno Interno Conduttanza Esprime la capacità di far passare cariche elettriche (ioni) in presenza di un potenziale elettrochimico. La conduttanza è il reciproco della resistenza (g = 1/R). Per la I Legge di Ohm: V = i. R i = V/R i = g. V Esterno Interno G = 1/R + - E (Vm E i ) La forza elettromotrice che spinge uno ione ad attraversare la membrana è data dalla differenza fra il potenziale di membrana (Vm) ed il potenziale di equilibrio dello ione (E i ) La conduttanza totale di una membrana cellulare per una specie ionica (G) è uguale al prodotto tra il numero dei canali aperti (Ni) e la conduttanza g del singolo canale. Gi = gi. Ni

7 Resistenza della membrana Le variazioni di potenziale di membrana determinate dall iniezione di correnti seguono abbastanza fedelmente le previsioni derivate dalla Legge di Ohm: V = i x R in Per un neurone ideale di forma sferica, R in dipende da R m e dalle dimensioni del neurone. La relazione tra i e V rappresenta la R in = resistenza di ingresso del neurone R in = R m / 4 r 2 R m = resistenza specifica di membrana ( /cm 2 ) dipende dal numero di canali passivi (aperti a riposo) per unità di superficie. 4 r 2 = area della membrana cellulare (maggiore superficie minore R in )

8 dimensione neurone R in dimensioni neurone R in A parità di stimolo, la modificazione di voltaggio (quindi la risposta elettrica) sarà maggiore nelle cellule piccole rispetto a quelle più grandi.

9 La variazione di potenziale determinato dall iniezione di corrente, sale lentamente per raggiungere il valore previsto dall equazione V = i. R in e discende altrettanto lentamente alla fine dello stimolo. Il comportamento è spiegato dalla esistenza di una Capacità di membrana, funzione della struttura fisica della membrana.

10 Capacità elettrica di membrana Il doppio strato lipidico della membrana rappresenta un isolante che separa due conduttori: liquido extra ed intracellulare. Tra due conduttori separati da un isolante, si determina una capacità elettrica (condensatore). L entità della capacità di membrana (C) è legata alla possibilità di accumulare una certa carica (Q) sulle sue superfici. Il voltaggio esistente ai capi di un condensatore è proporzionale a Q. Esterno V = Q/C 4 nm Interno

11 -Q Capacità della membrana Vm = Q/C d (44 nm) +Q S C m = capacità specifica di membrana (~ 1 F/cm 2 ) C in = C m. 4 r 2 Il potenziale ai capi di un condensatore (membrana) varia se si aggiungono o tolgono cariche dal condensatore. La variazione di carica, determinata da una corrente attraverso il condensatore (I c ), richiede tempo e rallenta le risposte. Questo effetto corrisponde all accumulo o deplezione degli ioni a cavallo della membrana. Maggiore è C, minore è la variazione di Vm nel tempo. dimensione neurone C in (la corrente necessaria per variare Vm è maggiore) dimensioni neurone C in (la corrente necessaria per variare Vm è minore)

12 Equivalente Elettrico della membrana Capacità e Resistenza sono poste in parallelo

13 La corrente che scorre attraverso la membrana I m = I i + I c I i = corrente ionica (resistiva), determinata dal flusso di ioni attraverso canali ionici (quindi la resistenza R). I c = corrente capacitiva, generata dalla variazione di carica sulla capacità di membrana. 1) Tutta la corrente che attraversa la membrana va a caricare il condensatore (varia la carica). 2) Man mano che il condensatore si carica, aumenta la corrente che attraverso la resistenza (R). 3) Quando il condensatore è completamente carico, tutta la corrente attraversa la R V m = i x R 4) Alla fine dell impulso, la corrente generata dalla scarica del condensatore passerà attraverso R, determinando un lento ritorno del Vm al valore iniziale

14 Le proprietà capacitive e resistive della membrana determinano il tipico andamento della variazione di Vm in risposta ad un impulso di corrente rettangolare (c). Se la membrana avesse solo proprietà resistive, le variazioni di Vm sarebbero istantanee (a). Se la membrana avesse solo proprietà capacitive, le variazioni di Vm sarebbero lente ma progressive (b). La fase crescente della variazione di potenziale può essere descritta dalla seguente equazione differenziale: V m (t) = I m. R in (1-e -t/ ) La fase discendente da: V m (t) = I m. R in. e -t/ Costante di tempo = R in C in e = 2.72 (base logaritmi naturali)

15 La costante di tempo = R in. C in rappresenta il tempo necessario perché il potenziale di membrana (Vm) aumenti o diminuisca fino a raggiungere o perdere il 63% del suo valore finale. In molte cellule nervose questo valore è intorno a 10 ms.

16 In una cellula nervosa la risposta a correnti sotto soglia dipende da: R in, che determina il valore di V m che si raggiunge quando uno stimolo viene applicato per tempi lunghi. C in, che rallenta sia il raggiungimento di questo livello di V m sia il ritorno a valori di riposo, in base al prodotto R in C in

17 L ampiezza di un potenziale elettrotonico sotto soglia, condotto lungo l assone o i dendriti di un neurone, diminuisce con la distanza dal punto di origine. Le resistenze di membrana e dell assoplasma influenzano l efficienza con cui vengono condotti i segnali elettrici (conduzione elettrotonica). La stimolazione è sottosoglia Propagazione elettrotonica

18 I dendriti e l assone hanno un diametro molto piccolo rispetto alla lunghezza e quindi presentano una resistenza estremamente elevata al flusso di corrente. Il diametro influenza la resistenza assiale (r a ) ma anche la resistenza di membrana (r m ). La resistenza assiale (r a ) ( /cm) dipende dalla resistenza intrinseca del citoplasma (resistenza specifica, di 1cm 3 di citoplasma) e dall area della sezione del processo, r a = a 2 La resistenza di membrana (r m ) dipende dalla resistenza specifica (R m ) di un unità di area della membrana (.cm 2 ) e dalla estensione della membrana (superficie laterale del cilindro) r m = R m /2 a

19 La membrana dell'assone non è un isolante perfetto: La perdita di corrente attraverso la r m contribuisce all attenuazione del segnale. V ( x) V0e x r r m a

20 , costante di spazio è la distanza a cui Vm cade al 63% del valore iniziale. Maggiore è, migliori saranno le proprietà del cavo conduttore. Diametro perchè il rapporto r m /r i è direttamente correlato al raggio. In genere varia da 1 mm (assoni) a m (dendriti).

21 Nel corso di esami neurologici, per verificare la presenza di neuropatie periferiche, si effettuano stimolazioni facendo passare corrente attraverso coppie di elettrodi extracellulari posti sul nervo e si registrano in un tratto più a valle con elettrodi registranti, i potenziali d azione che insorgono nella popolazione di fibre nervose stimolate (potenziale d azione composto) Ogni stimolo è caratterizzato da: Polarità Intensità Durata

22 Anodo Catodo Polarità Chiusura del circuito L eccitazione nasce al catodo alla chiusura del circuito e all anodo all apertura del circuito. Iperpolarizzazione all anodo Anaelettrotono Depolarizzazione al catodo Cataelettrotono

23 A causa delle caratteristiche passive della membrana, uno stimolo, per essere efficace, deve avere una certa intensità e durata. Entro un certo range, queste due grandezze sono interdipendenti.

24 Curva intensitàdurata Minore è l intensità di uno stimolo, maggiore deve essere la sua durata e viceversa. L intensità minima in grado di generare una risposta e detta Reobase. Cronassia: Durata di uno stimolo di intensità uguale al doppio della reobase.

25 Classificazioni delle fibre nervose Tipo di fibra Funzione (es.) Diametro medio ( m) A Afferenze primarie dei fusi neuromuscolari -motoneuroni Velocità di conduzione media m/s (70-120) A Afferenze cutanee (tatto e pressione) 8 50 m/s (30-70) A -motoneuroni 5 20 m/s (15-30) A Afferenze cutanee (termiche e nocicettive) 3 15 m/s (12-30) B Simpatiche pregangliari <3 7 m/s (3-15) C Amieliniche Afferenze cutanee (nocicettive) Efferenze simpatiche postgangliari 1 1 m/s (0,5-2) Fibre afferenti Gruppi Funzione (es.) Diametro medio ( m) I Afferenze primarie fusi neuromuscolari e corpuscoli tendinei Velocità di conduzione media m/s (70-120) II Meccanocettori cutanei 9 55 m/s (25-70) III Sensibilità muscolare profonda 3 11 m/s (10-25) IV Fibre nocicettive amieliniche 1 1 m/s

26 Potenziale composto di un nervo stimolo registrazione La velocità di conduzione e l eccitabilità delle fibre nervose dipendono dal loro diametro. diametro velocità di conduzione ed eccitabilità.

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