Le cellule nervose hanno la capacità di produrre e propagare segnali elettrici in risposta ad uno stimolo. Questa capacità è dovuta alla variazione del potenziale di membrana, dato dalla distribuzione asimmetrica degli ioni ai due lati della membrana.
Esistono due fattori principali che influiscono sul potenziale di membrana:
- i gradienti di concentrazione a cavallo della membrana;
- la permeabilità della membrana agli ioni.
Tralasciamo formule, calcoli ed equazioni utilizzate dagli esperti per valutare il valore del potenziale di membrana e andiamo diritti al punto. Il potenziale medio a riposo è di -70 mV, con l’interno della cellula negativo rispetto all’esterno. Per far si che avvenga una propagazione del segnale elettrico è necessario che il potenziale di membrana subisca una variazione. Questa variazione è dovuta allo spostamento degli ioni da dentro a fuori (e viceversa) della cellula.
Gli ioni
Gli ioni protagonisti per le variazioni del potenziale di membrana sono il potassio (K+), il sodio (Na+), il cloro (Cl–) ed il calcio (Ca2+). Il flusso di carica elettrica trasportata da uno ione viene definito corrente. Il potenziale di membrana è determinato principalmente dal gradiente di concentrazione del potassio e dalla permeabilità della membrana a K+, Na+ e Cl–. La membrana di un neurone a riposo è poco permeabile al Na+, ma se la permeabilità aumenta il Na+ entra nella cellula depolarizzando la membrana e producendo un segnale elettrico.
Se la membrana diventa più permeabile al potassio la cellula perde cariche positive e si iperpolarizza (diventa più negativa). La stesa cosa avviene se all’interno della cellula entra il cloro. Per variare il potenziale di membrana da -70 mV a +30 mV è sufficiente che un solo ione K+ su 100000 si muova da una parte all’altra della membrana. Pertanto il movimento di ioni secondo gradiente elettrochimico non influisce sul gradiente di concentrazione.
Per modificare la permeabilità agli ioni la cellula utilizza i canali di membrana. Ci sono tre diversi tipi di canali:
- canali ionici regolati meccanicamente
- canali ionici regolati chimicamente
- canali ionici voltaggio-dipendenti.
I canali ionici regolati meccanicamente si trovano nei neuroni sensoriali e si aprono in risposta a stimoli meccanici (pressione o stiramento). I canali ionici regolati chimicamente rispondono ai neurotrasmettitori ed alle molecole segnale intracellulari. I canali ionici voltaggio-dipendenti reagiscono al cambiamento del potenziale di membrana.
I segnali elettrici sono classificati in due tipologie:
- potenziali graduati
- potenziali d’azione.
I potenziali graduati
I potenziali graduati sono segnali ad intensità variabile che perdono di intensità man mano che si propagano. Nei neuroni i potenziali graduati sono depolarizzazioni o iperpolarizzazioni che hanno luogo nei dendriti, nel soma o vicino ai terminali assonici. I potenziali sono definiti graduati perché la loro ampiezza è proporzionale alla forza dello stimolo scatenante.
Questi potenziali vengono usati per la comunicazione a breve distanza; se il potenziale è abbastanza intenso, una volta raggiunta la zona di integrazione del neurone, riuscirà ad innescare un potenziale d’azione. Quanto più grande è l’ampiezza iniziale del potenziale, tanto più lontano si diffonderà prima di esaurirsi. La perdita di intensità è dovuta alla dispersione di corrente e alla resistenza del citoplasma.
La membrana del corpo cellulare non è un buon isolante ed ha canali sempre aperti che consentono alle cariche positive di uscire. Per cui alcuni ioni positivi si disperdono man mano che l’onda di depolarizzazione si muove lungo la cellula.
Un potenziale graduato depolarizzante viene considerato eccitatorio, questo perché la depolarizzazione aumenta la probabilità che si verifichi un potenziale d’azione. Viene considerato inibitorio un potenziale graduato iperpolarizzate, poiché l’iperpolarizzazione allontana il potenziale di membrana dal valore soglia.
La figura a sinistra mostra come un potenziale graduato, anche se sopra soglia, non riesca ad innescare un potenziale d’azione a causa della dispersione di corrente. A causa di questa diminuzione una volta che il segnale arriverà nella zona di innesco non sarà in grado di avviare un potenziale d’azione.
Nella figura a destra vediamo come uno stimolo più intenso somministrato nello stesso punto generi un potenziale d’azione. Sebbene l’intensità diminuisca lungo il tragitto, questa è comunque sufficiente a generare il potenziale di azione, proprio a causa della sua maggior intensità iniziale.
I potenziali di azione
I potenziali di azione sono depolarizzazioni che si propagano su lunghe distanze senza attenuarsi con funzione di trasmissione rapida di segnali a distanza. Quando un potenziale graduato raggiunge la “zona trigger” (di innesco) depolarizzano la membrana facendo aprire i canali Na+ voltaggio dipendenti innescando il potenziale d’azione.
Normalmente il livello soglia per cui viene ad innescarsi un potenziale d’azione è -55 mV.
A differenza del potenziale graduato, il potenziale d’azione non diminuisce la sua ampiezza mentre si propaga lungo il neurone. I potenziali di azione sono chiamati fenomeni tutto o nulla perché o si presentano come massima depolarizzazione o non si presentano affatto (come l’interruttore della luce, o è acceso o è spento).
La figura mostra i cambiamenti di voltaggio che si verificano durante un potenziale d’azione. Possiamo notare tre fasi principali:
- fase ascendente del potenziale d’azione
- fase discendente del potenziale d’azione
- fase di iperpolarizzazione
Fase ascendente
La fase ascendente è dovuta ad un aumento della permeabilità al Na+. Il potenziale graduato raggiunge la zona trigger depolarizzando la membrana fino al livello soglia di -55 mV. Man mano che la cellula si depolarizza i canali voltaggio-dipendenti per il Na+ si aprono facendo entrare il Na+ all’interno. Questo accade perché il Na+ è più concentrato fuori dalla cellula ed il potenziale di membrana negativo lo attrae all’interno.
L’ulteriore ingresso di sodio depolarizza velocemente la membrana cellulare che arriva al picco di +30 mV. Appena la membrana cellulare supera il valore di 0 mV, si viene a creare una inversione di polarità (overshoot) ed il gradiente elettrico che attrae il Na+ viene meno. Tuttavia il gradiente di concentrazione rimane ed il Na+ continua ad entrare spostando il potenziale di membrana verso il potenziale di equilibrio del Na+ (ENa) a +60mV. Prima che sia raggiunto ENa i canali per il sodio si chiudono ed il potenziale si ferma appunto a +30 mV.
Fase discendente
La fase discendente corrisponde ad un aumento della permeabilità al K+. I canali del potassio voltaggio-dipendenti si aprono in risposta alla depolarizzazione. Questi canali sono più lenti di quelli del sodio, e quando si aprono completamente il potenziale di membrana ha già raggiunto il picco di +30 mV.
Quando il potenziale di membrana è positivo sia il gradiente elettrico sia il gradiente di concentrazione favoriscono la fuoriuscita di K+ dalla cellula. La fuoriuscita di potassio porta il potenziale di membrana al suo valore di riposo di -70 mV.
Fase di iperpolarizzazione
Quando il potenziale di membrana raggiunge i -70 mV i canali del K+ sono ancora aperti. Il potassio continua ad uscire iperpolarizzando la membrana e portandola vicino all’Ek di -90 mV (undershoot). Dopo che i lenti canali del K+ si sono chiusi, la ritenzione di K+ e l’ingresso del Na+ riportano il potenziale di membrana a -70 mV.