Il potenziale d’azione
E’ 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’azione
La soglia
Lo stimolo soglia è lo stimolo depolarizzante di intensità minima in
grado di generare un potenziale d’azione in un neurone
La legge del tutto o nulla
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.
La refrattarietà
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
(richiamo)
proprietà
dei
pda
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
HHsim
http://www.cs.cmu.edu/~dst/HHsim/
Un’altra importante proprietà del potenziale
d’azione è quella di potersi propagare lungo la
fibra nervosa
Dal vivo
Segnale elettrico
Propagazione del potenziale d’azione
Propagazione passiva
distanza
Stimolo elettrico
R1
R2
E1
E2
R3
E3
Un potenziale d’azione tende a propagarsi in tutte
le direzioni dal punto in cui è stato generato
ma
Un potenziale d’azione in via di propagazione
può solo avanzare e mai retrocedere
VELOCITÀ DI CONDUZIONE
del potenziale d’azione in una
fibra nervosa
Essa è direttamente proporzionale alla costante di spazio l
Essa è inversamente proporzionale alla costante di tempo t
l
v
t
Inoltre, essendo l  
v aumenta all’aumentare del diametro della fibra
Vm
Vo
l1
soglia
V1
Distanza x
0.1 m
Vm
l2
Vo
L’eccitabilità neuronale è
influenzata della costante di
spazio l (e quindi dal diametro
della fibra)
soglia
V1
Distanza x
0.5 m
Vm
l3
Vo
V1
soglia
xo
x1
Distanza x
1m
stimolo
Propagazion del potenziale d’azione
e




Lenta rispetto allo spargimento passivo
Auto-alimentata
Tutto-o-nulla
Per renderla più veloce:
 Migliore spargimento passivo
 Maggiore densità di canali
Le fibre nervose possono essere amieliniche o mieliniche
Diagramma schematico di un assone
mielinizzato di un nervo periferico
assone
Strati di
mielina
nodi di
Ranvier
oligodendrocita
assone
assone
assone
nucleo
Conduzione saltatoria nelle fibre mieliniche
Nelle fibre mieliniche la conduzione
del potenziale d’azione non avviene
in maniera “continua” ma con un
meccanismo “saltatorio”
Conduzione
saltatoria
Saltatory Conduction
nodo di Ranvier
nodo di Ranvier
propagazione
passiva
rigenerazione
nodo di Ranvier
propagazione
passiva
rigenerazione
rigenerazione
l = (rm/ra)
ra : Invariata
rm : aumentata (resistori in serie)
Segnale elettrico
Perchè la mielinizzazione è così efficace?
Conduzione transiente migliore:
Cm : diminuita (condensatori in serie)
Metabolismo più basso:
Canali ionici solo ai nodi
Amplificazione
Propagazione passiva
distanza
Conduzione saltatoria
Assone amielinico
Cm
rm
Cm
rm
Cm
rm
Assone mielinico
Cm4
rm4
Cm4
rm4
Cm4
rm4
Cm3
rm3
Cm3
rm3
Cm3
rm3
Cm2
rm2
Cm2
rm2
Cm2
rm2
Cm1
rm1
Cm1
rm1
Cm1
rm1
Ad ogni maglia:
rmeq=rm1+rm2+rm3+rm4  rm aumenta  l=√(rm/ri) aumenta  v↑
Cmeq=(Cm1·Cm2·Cm3·Cm4)/ (Cm1+Cm2+Cm3+Cm4)  Cm diminuisce
Verifica numerica:
Assone amielinico
rsm=rsm1=rsm2=rsm3=rsm4=1100 W·cm2
Csm=Csm1=Csm2=Csm3=Csm4=1 mF/cm2
tm=rsm·Csm=1100 W·cm2 · 10-6 F/cm2 = 10-3 s
v
l
=
t
 1100

2 34
cm / s
-3
10
Assone mielinico
req=rsm1+rsm2+rsm3+rsm4=4400 W·cm2
Ceq= =(Csm1·Csm2·Csm3·Csm4)/ (Csm1+Csm2+Csm3+Csm4) =0.25 mF/cm2
tm=req·Ceq=4400 W·cm2 · 0.25·10-6 F/cm2 = 10-3 s
v
l
=
t
 4400

2 34
cm / s
-3
10
Effetto della Perdita della Mielina
Sclerosi Multipla
• Demielinizzazione Centrale
• Perdita di oligodendrociti
• Gli assoni rimangono relativamente preservati
t
L’eccitabilità neuronale è
influenzata della costante
di tempo t
t
t