Potenziali di riposo e Potenziale d’Azione (Sezione 1, Capitolo 1), le Neuroscienze Online: Un Libro di testo Elettronico per le Neuroscienze | Dipartimento di Neurobiologia e Anatomia – L’Università del Texas Medical School a Houston

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Nonostante l’enorme complessità del cervello, è possibile ottenere una comprensione della sua funzione, facendo attenzione ai due maggiori dettagli:

• in Primo luogo, i modi in cui i singoli neuroni, i componenti del sistema nervoso, sono collegati insieme per generare il comportamento.,
• In secondo luogo, le proprietà biofisiche, biochimiche ed elettrofisiologiche dei singoli neuroni.

Un buon punto di partenza è con i componenti del sistema nervoso e come le proprietà elettriche dei neuroni conferiscono alle cellule nervose la capacità di elaborare e trasmettere informazioni.

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1.1 Introduzione al potenziale d’azione

Le teorie sulla codifica e la trasmissione delle informazioni nel sistema nervoso risalgono al medico greco Galeno (129-210 d.C.), che suggerì un meccanismo idraulico mediante il quale i muscoli si contraggono perché il fluido scorre in essi dai nervi cavi. La teoria di base ha tenuto per secoli ed è stato ulteriormente elaborato da René Descartes (1596 – 1650) che ha suggerito che gli spiriti animali scorrevano dal cervello attraverso i nervi e poi ai muscoli per produrre movimenti (Vedi questa animazione per l’interpretazione moderna di una teoria idraulica per la funzione nervosa)., Un importante cambiamento di paradigma si è verificato con il lavoro pionieristico di Luigi Galvani che ha scoperto nel 1794 che nervo e muscolo potrebbero essere attivati da elettrodi carichi e ha suggerito che il sistema nervoso funzioni tramite segnalazione elettrica. Tuttavia, ci fu dibattito tra gli studiosi se l’elettricità fosse all’interno di nervi e muscoli o se i nervi e i muscoli stessero semplicemente rispondendo alla scossa elettrica dannosa tramite un meccanismo intrinseco non elettrico., Il problema non fu risolto fino al 1930 con lo sviluppo di moderni amplificatori elettronici e dispositivi di registrazione che permettevano di registrare i segnali elettrici. Un esempio è il lavoro pionieristico di H. K. Hartline 80 anni fa sulla segnalazione elettrica nel limulo di granchio a ferro di cavallo . Gli elettrodi sono stati posizionati sulla superficie di un nervo ottico. (Posizionando elettrodi sulla superficie di un nervo, è possibile ottenere un’indicazione dei cambiamenti nel potenziale di membrana che si verificano tra l’esterno e l’interno della cellula nervosa.,) Poi 1-s durata lampi di luce di varia intensità sono stati presentati all’occhio; prima luce fioca, poi luci più luminose. Le luci molto fioche non hanno prodotto cambiamenti nell’attività, ma le luci più luminose hanno prodotto piccoli eventi ripetitivi simili a picchi. Questi eventi simili a picchi sono chiamati potenziali d’azione, impulsi nervosi o talvolta semplicemente picchi. I potenziali d’azione sono gli eventi di base che le cellule nervose usano per trasmettere informazioni da un luogo all’altro.

1.,2 Caratteristiche dei potenziali d’azione

Le registrazioni nella figura sopra illustrano tre caratteristiche molto importanti dei potenziali d’azione nervosa. Innanzitutto, il potenziale d’azione del nervo ha una breve durata (circa 1 msec). In secondo luogo, i potenziali di azione nervosa sono suscitati in modo tutto o niente. In terzo luogo, le cellule nervose codificano l’intensità delle informazioni in base alla frequenza dei potenziali d’azione. Quando l’intensità dello stimolo aumenta, la dimensione del potenziale d’azione non diventa più grande. Piuttosto, aumenta la frequenza o il numero di potenziali d’azione., In generale, maggiore è l’intensità di uno stimolo (che si tratti di uno stimolo luminoso a un fotorecettore, uno stimolo meccanico alla pelle o un tratto a un recettore muscolare) maggiore è il numero di potenziali d’azione suscitati. Allo stesso modo, per il sistema motorio, maggiore è il numero di potenziali d’azione in un motoneurone, maggiore è l’intensità della contrazione di un muscolo che è innervato da quel motoneurone.,

I potenziali d’azione sono di grande importanza per il funzionamento del cervello poiché propagano le informazioni nel sistema nervoso al sistema nervoso centrale e propagano i comandi iniziati nel sistema nervoso centrale alla periferia. Di conseguenza, è necessario comprendere a fondo le loro proprietà. Per rispondere alle domande su come i potenziali d’azione vengono avviati e propagati, dobbiamo registrare il potenziale tra l’interno e l’esterno delle cellule nervose usando tecniche di registrazione intracellulare.

1.,3 Registrazioni Intracellulari da Neuroni

La differenza di potenziale attraverso un nervo membrana cellulare può essere misurata con un microelettrodo la cui punta è molto piccola (circa un micron) che può penetrare la cellula, senza produrre alcun danno. Quando l’elettrodo è nel bagno (il mezzo extracellulare) non vi è alcun potenziale registrato perché il bagno è isopotenziale. Se il microelettrodo viene inserito con cura nella cella, c’è un brusco cambiamento nel potenziale., La lettura del voltmetro cambia istantaneamente da 0 mV, alla lettura di una differenza di potenziale di -60 mV all’interno della cella rispetto all’esterno. Il potenziale che viene registrato quando una cellula vivente viene impalata con un microelettrodo è chiamato potenziale di riposo e varia da cellula a cellula. Qui è dimostrato di essere -60 mV, ma può variare tra -80 mV e -40 mV, a seconda del particolare tipo di cellula nervosa. In assenza di qualsiasi stimolazione, il potenziale di riposo è generalmente costante.

È anche possibile registrare e studiare il potenziale d’azione. Figura 1.,3 illustra un esempio in cui un neurone è già stato impalato con un microelettrodo (l’elettrodo di registrazione), che è collegato a un voltmetro. L’elettrodo registra un potenziale di riposo di -60 mV. La cella è stata anche impalata con un secondo elettrodo chiamato elettrodo stimolante. Questo elettrodo è collegato a una batteria e un dispositivo in grado di monitorare la quantità di corrente (I) che scorre attraverso l’elettrodo. I cambiamenti nel potenziale di membrana sono prodotti chiudendo l’interruttore e cambiando sistematicamente sia la dimensione che la polarità della batteria., Se il polo negativo della batteria è collegato all’interno della cella come in Figura 1.3 A, un cambiamento istantaneo nella quantità di corrente fluirà attraverso l’elettrodo stimolante e il potenziale di membrana diventa transitoriamente più negativo. Questo risultato non dovrebbe essere sorprendente. Il polo negativo della batteria rende l’interno della cella più negativo di quanto non fosse prima. Un cambiamento nel potenziale che aumenta lo stato polarizzato di una membrana è chiamato iperpolarizzazione. La cellula è più polarizzata di quanto non fosse normalmente. Utilizzare ancora una batteria più grande e il potenziale diventa ancora più grande., Le iperpolarizzazioni risultanti sono funzioni graduate della grandezza degli stimoli utilizzati per produrli.

Consideriamo ora il caso in cui il polo positivo della batteria è collegato all’elettrodo (Figura 1.3 B). Quando il polo positivo della batteria è collegato all’elettrodo, il potenziale della cella diventa più positivo quando l’interruttore è chiuso (Figura 1.3 B). Tali potenziali sono chiamati depolarizzazioni. Lo stato polarizzato della membrana è diminuito., Le batterie più grandi producono depolarizzazioni ancora più grandi. Ancora una volta, la grandezza delle risposte è proporzionale alla grandezza degli stimoli. Tuttavia, un evento insolito si verifica quando l’entità della depolarizzazione raggiunge un livello di potenziale di membrana chiamato soglia. Viene avviato un tipo di segnale totalmente nuovo; il potenziale d’azione. Si noti che se la dimensione della batteria viene aumentata ancora di più, l’ampiezza del potenziale d’azione è la stessa della precedente (Figura 1.3 B). Il processo di suscitare un potenziale d’azione in una cellula nervosa è analogo all’accensione di una miccia con una fonte di calore., È necessaria una certa temperatura minima (soglia). Temperature inferiori alla soglia non riescono ad accendere il fusibile. Temperature superiori alla soglia accendere il fusibile così come la temperatura di soglia e il fusibile non brucia più luminoso o più caldo.

Se lo stimolo della corrente soprasoglia è abbastanza lungo, tuttavia, verrà generato un treno di potenziali d’azione. In generale, i potenziali d’azione continueranno a sparare finché lo stimolo continua, con la frequenza di sparo proporzionale alla grandezza dello stimolo (Figura 1.4).,

I potenziali d’azione non solo vengono avviati in modo tutto o niente, ma vengono anche propagati in modo tutto o niente. Un potenziale d’azione avviato nel corpo cellulare di un motoneurone nel midollo spinale si propagherà in modo indecrementato fino ai terminali sinaptici di quel motoneurone. Ancora una volta, la situazione è analoga a una miccia in fiamme. Una volta acceso il fusibile, la fiamma si diffonderà fino alla sua estremità.

1.,4 Componenti dei potenziali d’azione

Il potenziale d’azione è costituito da diversi componenti (Figura 1.3 B). La soglia è il valore del potenziale di membrana che, se raggiunto, porta all’avvio totale o nullo di un potenziale d’azione. La fase iniziale o ascendente del potenziale d’azione è chiamata fase depolarizzante o upstroke. La regione del potenziale d’azione tra il livello 0 mV e l’ampiezza del picco è il overshoot. Il ritorno del potenziale di membrana al potenziale di riposo è chiamato fase di ripolarizzazione., C’è anche una fase del potenziale d’azione durante la quale il potenziale di membrana può essere più negativo del potenziale di riposo. Questa fase del potenziale d’azione è chiamata undershoot o postpotenziale iperpolarizzante. Nella Figura 1.4, le sottigliezze dei potenziali d’azione non diventano più negative del potenziale di riposo perché “cavalcano” lo stimolo depolarizzante costante.

1.,5 Meccanismi ionici dei potenziali di riposo

Prima di esaminare i meccanismi ionici dei potenziali d’azione, è necessario prima comprendere i meccanismi ionici del potenziale di riposo. I due fenomeni sono intimamente correlati. La storia del potenziale di riposo risale ai primi anni del 1900 quando Julius Bernstein suggerì che il potenziale di riposo (Vm) era uguale al potenziale di equilibrio del potassio (EK)., Dove

La chiave per comprendere il potenziale di riposo è il fatto che gli ioni sono distribuiti in modo disuguale all’interno e all’esterno delle cellule e che le membrane cellulari sono selettivamente permeabili a diversi ioni. K + è particolarmente importante per il potenziale di riposo. La membrana è altamente permeabile a K+. Inoltre, l’interno della cellula ha un’alta concentrazione di K +(i) e l’esterno della cellula ha una bassa concentrazione di K+ (o). Quindi, K + si sposterà naturalmente per diffusione dalla sua regione di alta concentrazione alla sua regione di bassa concentrazione., Di conseguenza, gli ioni K + positivi che lasciano la superficie interna della membrana lasciano dietro alcuni ioni caricati negativamente. Quella carica negativa attira la carica positiva dello ion K+ che sta lasciando e tende a”tirarlo indietro”. Quindi, ci sarà una forza elettrica diretta verso l’interno che tenderà a controbilanciare la forza diffusionale diretta verso l’esterno. Alla fine, verrà stabilito un equilibrio; la forza di concentrazione che sposta K+ fuori bilancerà la forza elettrica che la tiene dentro. Il potenziale al quale tale equilibrio è raggiunto è chiamato il potenziale di equilibrio di Nernst.,

Un esperimento per testare l’ipotesi di Bernstein che il potenziale di membrana è uguale al Potenziale di equilibrio di Nernst (cioè, Vm = EK) è illustrato a sinistra.

La concentrazione di K+ all’esterno della cellula è stata sistematicamente variata mentre veniva misurato il potenziale di membrana. Viene anche mostrata la linea prevista dall’equazione di Nernst. I punti misurati sperimentalmente sono molto vicini a questa linea., Inoltre, a causa della relazione logaritmica nell’equazione di Nernst, un cambiamento nella concentrazione di K+ di un fattore di 10 si traduce in un cambiamento di 60 mV nel potenziale.

Si noti, tuttavia, che ci sono alcune deviazioni nella figura a sinistra da ciò che è previsto dall’equazione di Nernst. Quindi, non si può concludere che Vm = EK. Tali deviazioni indicano che anche un altro ion è coinvolto nella generazione del potenziale di riposo. Quello ion è Na+., L’alta concentrazione di Na + all’esterno della cellula e la concentrazione relativamente bassa all’interno della cellula si traduce in una forza motrice chimica (diffusionale) per l’afflusso di Na+. C’è anche una forza motrice elettrica perché l’interno della cellula è negativo e questa negatività attira gli ioni di sodio positivi. Di conseguenza, se la cellula ha una piccola permeabilità al sodio, Na + si muoverà attraverso la membrana e il potenziale di membrana sarebbe più depolarizzato di quanto ci si aspetterebbe dal potenziale di equilibrio K+.

1.,6 Goldman-Hodgkin e Katz (GHK) Equazione

Quando una membrana è permeabile a due ioni diversi, l’equazione di Nernst non può più essere utilizzata per determinare con precisione il potenziale di membrana. È possibile, tuttavia, applicare l’equazione GHK. Questa equazione descrive il potenziale attraverso una membrana permeabile sia a Na + che a K+.

Si noti che α è il rapporto tra Na+ permeabilità (PNa) e K+ permeabilità (PK)., Si noti inoltre che se la permeabilità della membrana a Na+ è 0, allora alfa nel GHK è 0 e l’equazione di Goldman-Hodgkin-Katz si riduce al potenziale di equilibrio di Nernst per K+. Se la permeabilità della membrana a Na + è molto alta e la permeabilità del potassio è molto bassa, i termini diventano molto grandi, dominando l’equazione rispetto ai termini, e l’equazione GHK si riduce al potenziale di equilibrio di Nernst per Na+.

Se l’equazione GHK viene applicata agli stessi dati in Figura 1.5, c’è una misura molto migliore. Il valore di alpha necessario per ottenere questa buona misura era 0.01., Ciò significa che la permeabilità del potassio K + è 100 volte la permeabilità Na+. In sintesi, il potenziale di riposo è dovuto non solo al fatto che esiste un’alta permeabilità a K+. C’è anche una leggera permeabilità a Na+, che tende a rendere il potenziale di membrana leggermente più positivo di quanto sarebbe stato se la membrana fosse permeabile a K+ da solo.

1.,7 Laboratorio potenziale di membrana

Clicca qui per andare al Laboratorio potenziale di membrana interattivo per sperimentare gli effetti dell’alterazione della concentrazione di ioni potassio esterni o interni e della permeabilità della membrana agli ioni sodio e potassio. Le previsioni sono fatte usando le equazioni di Nernst e Goldman, Hodgkin, Katz.,

il Potenziale di Membrana di Laboratorio

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