Il potenziale d’azione

Il potenziale d’azioneE’ la risposta ad uno stimolo depolarizzante che possono dare

cellule elettricamente eccitabili, cioè provviste di un corredo di canali ionici voltaggio-dipendenti per il Na+ e per il K+

Significato funzionale:Nei neuroni – segnale elettrico che propagandosi lungo la fibra nervosa consente la trasmissione di messaggi elettrici a livello del SN

Nelle fibrocellule muscolari – innesca il processo della contrazione

La Biofisica dei canali ionici è storicamente legata alla comprensione dei meccanismi che generano i POTENZIALI D’AZIONE nelle cellule eccitabili.NB: durante il pda la membrana si trova in condizioni dinamiche (e non statiche, come nel caso del potenziale di riposo.

Per ottenere una rappresentazione corretta del pda, occorre effettuare delle derivazioni intracellulari, fatte da singoli elementi cellulari. Dapprima furono realizzate (con elettrodi metallici) dagli assoni giganti dei molluschi Cefalopodi (calamaro, seppia) …

poi (con microelettrodi di vetro) da tutte le cellule eccitabili

Caratteristiche generali del potenziale d’azioneLa soglia

La legge del tutto o nulla

La refrattarietà

Lo stimolo soglia è lo stimolo depolarizzante di intensità minima in grado di generare un potenziale d’azione in un neurone

In un neurone un potenziale d’azione o è generaro e si sviluppa in tutta la sua ampiezza, se lo stimolo raggiunge o supera la soglia, oppure non è

generato affatto, se l’ampezza dello stimolo è inferiore alla soglia.

Un neurone, una volta generato un potenziale d’azione viene a trovarsi in uno stato di refrattarietà

- periodo di refrattarietà assoluta: nessuno stimolo per quanto intenso è in grado di genrare un secondo potenziale d’azione- periodo di refrattarietà relativa: un secondo stimolo, a condizione che sia sufficientemente più intenso di quello soglia, è in grado di genrare un secondo potenziale d’azione

A dispetto di una notevole variabilità tra tipi cellulari diversi, i pda presentano tutti alcune proprietà fondamentali.

Le note proprietà dei pda (richiamo)

L’eccedenza (overshoot).

Consiste in un’inversione temporanea del potenziale di membrana:Al picco del pda il pdm è +35 mV circa

Le note proprietà dei pda (richiamo)

La soglia.

NB per stimolare, occorre depolarizzare la membrana, cioè applicare una corrente che apporti cariche positive all’interno della cellula.

(Stimoli sottoliminari e sovraliminari)

Lo stimolo soglia è lo stimolo depolarizzante di intensità minima in grado di generare un potenziale d’azione

Le note proprietà dei pda (richiamo)

la “legge” del tutto-o-del-nulla

(analogia con lo sparo di un’arma da fuoco).

In un neurone un potenziale d’azione o è generaro e si sviluppa in tutta la sua ampiezza, se lo stimolo raggiunge o supera la soglia, oppure non è

generato affatto, se l’ampezza dello stimolo è inferiore alla soglia.

Le note proprietà dei pda (richiamo)

La refrattarietà: la soglia è inizialmente elevatissima, ma poi, in una decina di msec, ritorna al livello normale).Refrattarietà assoluta Refrattarietà relativa

Soglia

Legge del tutto o nulla

Refrattarietà

con

HHsimhttp://www.cs.cmu.edu/~dst/HHsim/

Un’altra importante proprietà del potenziale d’azione è quella di potersi propagare lungo la

fibra nervosa

Dal vivoDal vivo

Propagazionedel potenzialed’azione

E1

R1 R2

E2

R3

E3

Propagazione passiva

Stimolo elettrico

distanza

Seg

nale

ele

ttric

o

Un potenziale d’azione in via di propagazione può solo avanzare e mai retrocedere

Un potenziale d’azione tende a propagarsi in tutte le direzioni dal punto in cui è stato generato

ma

VELOCITÀ DI CONDUZIONEdel potenziale d’azione in una

fibra nervosaEssa è direttamente proporzionale alla costante di spazio Essa è inversamente proporzionale alla costante di tempo

v

Inoltre, essendov aumenta all’aumentare del diametro della fibra

stimolo

Vm

Distanza x

soglia

V1

Vo

xo x1

Vm

Distanza x

soglia

V1

Vo

Vm

Distanza x

soglia

V1

Vo

L’eccitabilità neuronale è influenzata della costante di

spazio (e quindi dal diametro della fibra)

Propagazione

del potenzialed’azione

Lenta rispetto allo spargimento passivo

Auto-alimentata

Tutto-o-nulla

Per renderla più veloce: Migliore spargimento passivo

Maggiore densità di canali

Strati dimielina

nodi diRanvier

nucleo

assone

assone

assone

assone

oligodendrocita

Diagramma schematico di un assone mielinizzato di un nervo periferico

Le fibre nervose possono essere amieliniche o mieliniche

Conduzione saltatoria nelle fibre mieliniche

Nelle fibre mieliniche la conduzione del potenziale d’azione non avviene in maniera “continua” ma con un meccanismo “saltatorio”

Saltatory ConductionConduzione saltatoria

nodo di Ranvier nodo di Ranvier nodo di Ranvier

propagazione passiva

propagazione passiva

rigenerazione rigenerazione rigenerazione

Perchèla mielinizzazioneècosìefficace?

Propagazione passiva

= (rm/ra) ra : Invariatarm : aumentata (resistori in serie)

Conduzione transiente migliore:Cm : diminuita (condensatori in serie)

Metabolismo più basso:Canali ionici solo ai nodi

Amplificazione

Conduzione saltatoria

Seg

nale

ele

ttric

o

distanza

Cm

rmCm

rm Cm

rm

Cm1

rm1Cm1

rm1Cm1

rm1

Cm2rm2 Cm2

rm2 Cm2rm2

Cm3rm3 Cm3

rm3 Cm3rm3

Cm4rm4 Cm4

rm4 Cm4rm4

Ad ogni maglia:rmeq=rm1+rm2+rm3+rm4 rm aumenta =√(rm/ri) aumenta v↑Cmeq=(Cm1·Cm2·Cm3·Cm4)/ (Cm1+Cm2+Cm3+Cm4) Cm diminuisce

Assone amielinico

Assone mielinico

Verifica numerica:

Assone amielinicorsm=rsm1=rsm2=rsm3=rsm4=1100 ·cm2

Csm=Csm1=Csm2=Csm3=Csm4=1 F/cm2

m=rsm·Csm=1100 ·cm2 · 10-6 F/cm2 = 10-3 s

Assone mielinicoreq=rsm1+rsm2+rsm3+rsm4=4400 ·cm2

Ceq= =(Csm1·Csm2·Csm3·Csm4)/ (Csm1+Csm2+Csm3+Csm4) =0.25 F/cm2

m=req·Ceq=4400 ·cm2 · 0.25·10-6 F/cm2 = 10-3 s

s/cm10

341100

2v3

s/cm10

344400

2v3

Effetto della Perdita della Mielina

Sclerosi Multipla

• Demielinizzazione Centrale

• Perdita di oligodendrociti

• Gli assoni rimangono relativamente preservati

to

soglia

tempo

Vm

Vm

Vm

soglia

tempo

soglia

tempo

stimolo

1

2

3

t1

t1

t1

t1

L’eccitabilità neuronale è influenzata della costante

di tempo