In questo blog mi sono già occupato di neuroni (vedi: L’apprendimento? Questioni di connessioni, Progetto Human Connectome e Brain, Sostanza bianca e sostanza grigia …), in questo caso cercherò di chiarire, in linea generale, come nasce un impulso nervoso e cos’è il potenziale di riposo di un neurone.
Il corpo umano è immerso in un ambiente caratterizzato da innumerevoli segnali, molto diversi tra loro che, pertanto, possono essere rilevati in modo differente. Ad esempio, per cercare di discriminare i rumori che provengono dal traffico veicolare della strada sottostante oppure le sensazioni gustative provocate da una fetta di pane con la nutella, non solo intervengono organi di senso diversi e le sensazioni hanno origine in parti diverse del corpo, ma sono differenti anche le aree dell’encefalo interessate alla loro ricezione e rielaborazione. Però, quando questi segnali raggiungono una soglia di intensità tale da essere captati dalle cellule nervose specializzate alla loro ricezione, l’effetto è sempre lo stesso: la produzione di un impulso nervoso. Cos’è? Un insieme di reazioni di tipo elettrico e chimico, che nascono da velocissime modificazioni localizzate in precisi punti della membrana plasmatica del neurone recettore del segnale.
I neuroni, come gran parte (le cellule del tessuto osseo sono contenute in una matrice extracellulare rigida) delle cellule del corpo umano, sono immersi in un liquido extracellulare ricco di ioni sodio (Na+) e con una bassa concentrazione di ioni potassio (K+). Il citoplasma dei neuroni invece è più ricco di ioni potassio ed è relativamente povero di ioni sodio. La differenza di concentrazione ionica non riguarda solo l’esterno e l’interno della membrana cellulare, ma la struttura stessa della membrana (ricorda: costituita da un doppio strato fosfolipidico, …. vedi “La membrana cellulare: protezione e comunicazione”): è più ricca di anioni (ioni negativi) in corrispondenza del limite della sua superficie interna ed è più ricca di cationi (ioni positivi) nello strato a ridosso della superficie esterna.
La differenza di carica ionica netta, positiva all’esterno della membrana e negativa nella faccia interna della membrana, costituisce una forma di energia potenziale che se liberata, facendo passare gli ioni opportuni da una parte all’altra della membrana semipermeabile, dà origine ad un impulso nervoso. Quest’energia potenziale è di tipo elettrico (potenziale elettrico), perciò è misurabile.
In condizioni normali di riposo, il potenziale elettrico è stato misurato ed il suo valore è di circa 70 millivolt (mV). Poiché l’interno del neurone è negativo rispetto alla prevalenza di cariche positive dell’esterno, il potenziale di riposo del neurone è quantificato in -70 mV.
Chi assicura il mantenimento di questo potenziale di riposo dei neuroni? Sono necessarie apposite strutture per mantenere questa differenza di potenziale tra l’esterno e l’interno dei neuroni. La prima di esse è costituita dai canali per il potassio: particolari pori della membrana rivestiti da proteine che consentono il passaggio verso l’esterno a quegli ioni K+che transitano nelle vicinanze. Questo passaggio avviene “secondo gradiente di concentrazione”, cioè da una regione in cui sono presenti in maggiore concentrazione verso un’altra in cui la loro concentrazione è minore, perciò non richiede consumo di energia da parte della cellula. L’uscita degli ioni potassio lascia l’interno cellulare con una parziale carica negativa in eccesso, dovuta in prevalenza alle numerose proteine del citoplasma. Un seconda struttura è rappresentata dai canali per il sodio, bene chiusi e rivestiti da proteine che non lasciano passare verso l’interno gli ioni Na+ che pressano fuori dalla membrana. Un terzo gruppo di “guardiani” della stabilità del potenziale di riposo delle cellule nervose è costituito dalle pompe sodio-potassio, canali rivestiti da molecole proteiche in grado di modificare la loro forma e far passare in direzione opposta gli ioni sodio e quelli potassio, contro il gradiente di concentrazione (trasporto attivo, che richiede consumo di energia cellulare sotto forma di ATP).
La pompa sodio-potassio agisce in direzione opposta rispetto al flusso di ioni nei due tipi di canali descritti sopra: riporta all’interno del neurone in modo “forzato” gli ioni potassio fuoriusciti attraverso gli appositi canali; porta all’esterno gli ioni sodio che fossero riusciti ad entrare.
I neuroni, attraverso questi tre complessi proteici di membrana, mantengono una differenza di potenziale costante a -70 mV tra l’esterno e l’interno cellulare e, in queste condizioni, il potenziale di riposo è stabile fino a che non interviene qualche modifica che innesca l’impulso nervoso.
Per saperne di più: http://academic.uprm.edu/~ephoebus/id81.htm ; Il neurone: potenziale di riposo e potenziale d’azione ; Potenziale di riposo del neurone ; Il potenziale di riposo – Dipartimento di Farmacia . Video: Potenziale di membrana (Agorà Scienze Biomediche)
Vedi anche “Il ruolo del sodio nel nostro organismo”;
Credit neurone_potenz_riposo: http://academic.uprm.edu/~ephoebus/id81.htm
membrana_001: en.wikipedia.org
Il sistema nervoso centrale è costituito da encefalo e midollo spinale. Quest’ultimo svolge un fondamentale compito di controllo e collegamento tra l’encefalo stesso e il resto del corpo. In una sezione di encefalo o midollo spinale sono ben individuabili: una zona grigia, formata in gran parte dai corpi cellulari dei neuroni motori, dendriti dei neuroni e dalle cellule della glia; una zona chiara (sostanza bianca) formata soprattutto dagli assoni dei neuroni motori e sensoriali con la loro guaina mielinica. Mentre nell’encefalo la sostanza grigia forma uno strato esterno alla sostanza bianca, nel midollo spinale accade il contrario: la sostanza bianca “riveste” quella grigia che, in una sezione trasversale ha una forma di “H”. Nell’encefalo la sostanza bianca, con la sua enorme matassa di fibre che creano molti miliardi di collegamenti (sono state stimate circa 150mila miliardi di sinapsi che collegano 90 miliardi di neuroni), trasmette informazioni da una regione all’altra del cervello, forma un labirinto inestricabile e difficilissimo da studiare e visualizzare. Negli ultimi anni però alcuni centri di ricerca statunitensi (Washington University, University of Minnesota, Saint Louis University), con un finanziamento di 30 milioni di dollari, sono impegnati in un progetto che cerca di creare un database di mappe delle connessioni cerebrali. Si tratta dell’Human Connectome Project che ha l’ambizioso obiettivo di scoprire il ruolo di questi collegamenti nell’invecchiamento e nell’apprendimento, trovare cure efficaci per diverse patologie, come schizofrenia.e autismo. I ricercatori stanno anche mettendo a punto nuove tecniche di visualizzazione di parti dell’encefalo. L’immagine in alto, ad esempio, non è una parrucca di carnevale ma un’elaborazione che rappresenta proprio le fibre di collegamento costituite dagli assoni ed è stata pubblicata anche dal National Geographic di luglio 2011. Ogni singola fibra risulta composta da migliaia di assoni. I colori sono un’aggiunta del software che consente anche una visone da diverse angolazioni. Autori dell’immagine sono Van Wedeen, docente di Harward e del Massachusetts General Hospital, e Patric Hagmann, del Centro Ospedaliero Universitario di Vaudois a Losanna.
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