Fisiologia dei Recettori Sensoriali
A.A.2004/2005
Prof. Paola Perin
Fisiologia dei Recettori Sensoriali
Calendario 2004/2005
13
14
15
16
17
14-15
11-13
14-15
10-12
Introduzione
Fotorecettori
Fotorecettori
2
Cellule
ciliate
20
21
22
23
11-13
14-15
11-13
Cellule
ciliate 2
Chemorecett
ori
Chemorecett
ori 2
11-13
14-16
Sensi
somatici
I sensi
• Nell’antica Grecia, Aristotele classifica le sensazioni che riceviamo
dal mondo esterno in cinque sensi distinti: vista, udito, tatto,
olfatto, gusto.
• Nel settecento, Locke afferma che la mente e’ una tabula rasa
plasmata dall’esperienza, mentre Kant sostiene che vi sono delle
categorie a priori nel nostro modo di conoscere.
• Nell’Ottocento, nasce la psicologia sperimentale (Weber, Fechner,
Helmholtz, Wundt) che cerca di ricondurre I fenomeni psicologici a
fenomeni fisici.
• Mach (1806) ipotizza l’esistenza di un “senso del movimento”,
situato nell’apparato vestibolare, e Bell (1834) l’esistenza di un
“senso muscolare”. Nasce il concetto di propriocezione, esplorato
a fondo da Sherrington.
Cosa sentiamo?
• Esterocettori: ricevono dati dal mondo
esterno
• Enterocettori: ricevono dati dall’ambiente
interno
• Propriocettori: ricevono dati sulla
posizione dell’individuo nel mondo esterno
Recettori sensoriali
Vibrazione
cutanea
Segnale
elettrico
• Rilevano una determinata
forma di energia
Corpuscolo di Pacini
DRG
• Trasducono un segnale
stimolo in un segnale
elettrico
Al SNC
Trasduzione del segnale
• Misurano stimoli importanti
per la sopravvivenza
Recettori sensoriali-modelli base
• Fotorecettori
– Rispondono alla luce
• Meccanorecettori
– Rispondono a deformazioni meccaniche
• Termocettori
– Rispondono a variazioni di temperatura
• Chemorecettori
– Rispondono alla presenza di determinate molecole
Recettori sensoriali-elenco
•
Fotorecettori
–
–
–
•
Recettori cutanei
•
•
•
•
–
Cellule ciliate
•
•
–
Acustiche (udito)
Vestibolari (equilibrio)
Propriocettori
•
•
–
–
Pacini (vibrazione, derma)
Ruffini (pressione, derma)
Meissner (vibrazione, superficie)
Merkel (pressione, superficie)
Fusi neuromuscolari (stiramento
muscolare)
Organi tendinei del Golgi (stiramento
delle articolazioni)
Recettori di stiramento nei visceri
Nocicettori
Termocettori
–
–
–
–
Coni (visione fotopica)
Bastoncelli (visione scotopica)
Neuroni gangliari melanopsina+
Meccanorecettori
–
•
•
Recettori del caldo
Recettori del caldo intenso
Recettori del freddo
Recettori del freddo intenso
Chemorecettori
–
Neuroni olfattivi
•
•
–
–
–
–
Olfattivi primari
Vomeronasali
Cellule gustative
Nocicettori
Recettori del prurito
Altri (recettori dei glomi carotidei, etc)
Attributi degli stimoli sensoriali
• Modalitá
• Quale forma di energia attiva il recettore in modo
efficace?
• Intensitá
• Quanta energia contiene lo stimolo?
• Localizzazione
• Quale popolazione di recettori viene attivata?
• Cinetica
• Quanto durano stimolo e risposta?
Sottomodalita’
• Uno stimolo efficace per un dato organo sensoriale non
evoca risposte da tutti i suoi recettori
(es. coni L rispondono alla luce rossa ma non alla luce
blu)
• Per ciascun recettore e’ possibile misurare quale e’ lo
stimolo ottimale (stimolo efficace ad energia minima)
Stimolo ottimale
• Per capire quale sia lo stimolo
ottimale per un recettore lo si
sottopone a stimoli di intensita’
costante ma con un parametro
variabile
• Ad esempio, si puo’ stimolare una
fibra del nervo acustico in situ con
suoni di uguale intensita’ ma
diversa frequenza
• La curva cosi’ ottenuta viene detta
curva di tuning del recettore
La trasduzione
Stimolo
Scarica di
potenziali
d’azione
Al SNC
Trasduzione del segnale
• Come avviene la trasduzione dell’energia del
segnale stimolo in una risposta elettrica?
Correnti e potenziali di recettore
A. Lo stimolo efficace modula una
corrente ionica (corrente di
recettore, cdr).
B. La cdr genera un potenziale di
recettore (pdr) graduale simile ai
potenziali postsinaptici.
C. Il pdr modula la scarica di
potenziali d’azione nelle fibre
nervose afferenti dirette al SNC.
Classi di canali ionici
Voltaggiodipendente
Ligandodipendente
(extracell)
Ligandodipendente
(intracell)
Meccanodipendente
Temperaturadipendente
chiuso
aperto
• L’apertura dei canali ionici puo’ venire controllata da vari parametri
Recettori sensoriali-modelli base
• Fotorecettori
– Rispondono alla luce
• Meccanorecettori
– Rispondono a deformazioni meccaniche
• Termocettori
– Rispondono a variazioni di temperatura
• Chemorecettori
– Rispondono alla presenza di determinate molecole
Quali canali ionici producono le cdr?
• Canali cationici scarsamente selettivi e scarsamente
voltaggio-dipendenti
• Due famiglie predominanti:
– CNG (cyclic-nucleotide-gated)
– TRP (transient receptor potential)
• Altri canali (es. Deg/ENaC) possono essere implicati in
alcuni casi
• In alcuni casi l’attivazione e’ data direttamente dallo
stimolo, in altri, tramite passi intermedi
I canali CNG
• Attivati dal legame del cAMP o cGMP
• cAMP e cGMP sono prodotti dagli enzimi adenilato ciclasi o
guanilato ciclasi e distrutti dalle cAMP- e cGMP-fosfodiesterasi
cAMP
Adenilato
ciclasi
cGMP
cAMP
CNG attivati
Corrente ionica
I canali CNG
•
Struttura omologa ai canali
voltaggio-dipendenti per il K
•
Tetramero, 6 eliche
transmembrana, 1 regione P tra
S5 e S6
•
Differenze significative:
– Poro senza filtro di selettivita’ per
il K
– S4 senza cariche sensore del
voltaggio
– Dominio C-terminale per legame
nucleotidi ciclici (cAMP, cGMP)
•
Due sottofamiglie: alfa (CNGA1-4)
e beta (CNGB1,3)
cAMP/cGMP
binding domain
Canali CNG negli organi di senso
• Combinazioni diverse delle subunita’ CNG danno canali
con proprieta’ diverse.
• Sono note le subunita’ espresse dai vari recettori ma non
la loro stechiometria
• Bastoncelli: CNGA1/CNGB1a
• Coni: CNGA3/CNGB3
• Neuroni olfattivi: CNGA2/CNGA4/CNGB1b
• CNG dei recettori olfattivi: sensibili a cAMP e cGMP
• CNG dei fotorecettori: sensibili solo a cGMP
I canali TRP
•
•
•
•
Scarsamente attivati dal voltaggio
Solitamente ancorati al citoscheletro
Famiglia eterogenea, con regioni di attivazione variabili
Possibili attivatori:
–
–
–
–
–
–
pH
DT
IP3/DAG
Dp
PUFA
stiramento
La famiglia TRP
Tutti I TRP sono permeabili ai cationi mono-e divalenti tranne TRPM4, M5
(permeabili solo ai monovalenti) e TRPV5, V6 (permeabili solo al Ca2+)
Sottofamiglie:
•TRPC
•TRPV
•TRPM
•TRPA
Ciascuna sottofamiglia presenta caratteristiche specifiche
Canali TRP negli organi di senso
• TRPC2: neuroni vomeronasali, attivato dai
feromoni
• TRPV1: calore intenso (agonista: capsaicina)
• TRPV3: dolore
• TRPM5: gusto (dolce, amaro)
• TRPM8: freddo intenso (agonista: mentolo)
• TRPA1: stimoli meccanici, cellule ciliate
• L’apertura dei canali TRP genera una corrente
entrante e/o un aumento di Ca2+ intracellulare
Correnti e potenziali di recettore
A. Lo stimolo efficace modula una
corrente ionica (corrente di
recettore, cdr).
B. La cdr genera un potenziale di
recettore (pdr) graduale simile ai
potenziali postsinaptici.
C. Il pdr modula la scarica di
potenziali d’azione nelle fibre
nervose afferenti dirette al SNC.
A cosa serve il potenziale di recettore?
•
Recettori di tipo I: con assone,
generano pda (es. neuroni
olfattivi)
–
possiedono una regione di codifica del
pda simile a quella dei neuroni centrali;
il pdr viene codificato in modo simile ai
PSP.
•Recettori di tipo II: senza assone,
generano potenziali graduali (es. cellule
ciliate)
•possiedono sinapsi specializzate in cui il rilascio
di trasmettitore e’ regolato dal pdr graduale.
Trasduzione sensoriale
• Lo stimolo efficace apre (o chiude) un certo numero di canali CNG o
TRP
• Le correnti ioniche generano un potenziale di recettore graduale
che:
oppure
RECETTORI DI TIPO I:
RECETTORI DI TIPO II:
Viene codificato in una scarica
di potenziali d’azione che
viaggiano lungo l’assone fino
al SNC
Evoca il rilascio di trasmettitore
Genera PSP nel neurone
afferente primario
I PSP vengono codificati in una
scarica di potenziali d’azione
che viaggiano lungo l’assone
fino al SNC
Codificazione del segnale
• L’intensita’ dello
stimolo e’ codificata
come frequenza dei
potenziali d’azione
nelle fibre nervose
afferenti
• La frequenza e’
proporzionale allo
stimolo percepito
ma non allo stimolo
reale
Trasduzione e percezione
• La percezione varia in modo non lineare con l’ampiezza
dello stimolo (la differenza tra sollevare 1 kg e 2 kg non
e’ uguale alla differenza tra sollevare 10 e 11 kg!!)
Legge di Weber:
DS=K x S
DS= minima differenza percepibile tra due stimoli
S= intensita’ dello stimolo
Per una data modalita’ sensoriale, K e’ costante
Legge di Stevens
• I = intensita’ percepita
• S = intensita’ dello
stimolo
• S0 = intensita’ soglia
I = K(S-S0)n
Per la maggior parte
delle modalita’
sensoriali, n<1
(eccezione: il dolore)
I = K(S-S0)n
Definizioni
• Soglia del segnale: intensita’ alla quale il
segnale viene percepito il 50% dei casi
• Soglia di discriminazione: minima
differenza avvertibile in un dato parametro
sensoriale
• Adattamento: variazione della soglia di
percezione o discriminazione
Ampiezza di banda
• Gli stimoli sensoriali vengono codificati nella frequenza
di scarica di potenziali d’azione nelle fibre nervose
afferenti
•
•
•
•
1 pda=1 ms
Massima frequenza possibile: 1 kHz
Minima frequenza possibile: 0 Hz
La scarica contiene rumore quindi la banda codificabile
da una singola fibra e’ <103
• Differenza di energia tra un bisbiglio e un urlo: 105
Ampiezza di banda
L’ampiezza di banda dei sistemi sensoriali
viene estesa grazie alla presenza di:
1. Popolazioni con uguale stimolo efficace
ma diversa soglia (Ridondanza)
2. Aggiustamenti del guadagno e della
soglia dei recettori (Adattamento)
Il rapporto segnale-rumore
Tutte le misurazioni effettuate dai recettori
sensoriali sono in presenza di rumore
Segnale: porta informazione
Rumore: non porta informazione
Limite alla quantita’ di informazione apportata dallo
stimolo
• Quanto e’ il rumore?
• Qual e’ il segnale minimo percepibile?
Il rumore termico
• A temperatura ambiente l’agitazione
termica produce un rumore pari a
kT=0.6 kcal/mol
• A questo rumore si sommano altre fonti di
disturbo, diverse per ciascuna modalita’
sensoriale
• Nessun recettore puo’ percepire senza
amplificazione un segnale con energia
<0.6 kcal/mol
Energia percepita dai fotorecettori
• Stimolo efficace: radiazione elettromagnetica
con lunghezze d’onda tra 400 e 750 nm
•
•
•
•
•
Frequenze = 400-750 * 1012 Hz (Terahertz)
Energia di 1 fotone: E= hn
1 fotone a 500 nm (verde) ha E = 57 kcal/mol
Rapporto segnale-rumore >=100
Un singolo fotone puo’ venire percepito senza
degradazione causata dal rumore termico
Segnale-rumore nei chemorecettori
• Stimolo efficace: legame chimico del recettore con la
molecola segnale
• Legami chimici deboli (1 kcal/mol)
• Come distinguere una molecola da un’altra?
• “Rumore intrinseco”: legame di molecole non appropriate
• Soluzione: legami deboli multipli e stereoselettivi (EB nei
chemorecettori = 5-10 kcal/mol)
Segnale-rumore nei meccanocettori
• Stimolo efficace per le cellule ciliate acustiche:
vibrazioni dell’aria da 20 Hz a 20 kHz
• Soglia uditiva umana (0 dB, 4 kHz) = 20 mPa
• Questo corrisponde ad un energia cinetica delle
molecole di aria di 0.05 kcal/mol
• I minimi movimenti avvertiti come suoni hanno
un’ampiezza corrispondente a solo il 10% del
rumore termico
• E’ necessario un meccanismo di amplificazione
attiva da parte del sistema recettoriale
Campo recettoriale
•
L’insieme di stimoli in grado di
attivare un determinato recettore
forma il suo campo recettoriale
•
Sistemi visivo e tattile:
– campo recettoriale di un recettore
consiste di una regione spaziale
(zona cutanea, frazione del campo
visivo)
•
Sistemi acustico-vestibolare, olfattivo
e gustativo:
– campi recettoriali localizzati in spazi
astratti (es. frequenze nel sistema
acustico)
•
Parti dei campi recettoriali di piu’
recettori possono sovrapporsi
Necessita’ di sistemi ridondanti
•
Intensita’ sonore necessarie alle
diverse frequenze per evocare una
risposta da una fibra del nervo
cocleare.
•
Lo stimolo ottimale per questa fibra e’
un suono a 2 kHz
•
Suoni a frequenze diverse sono
comunque efficaci, anche se meno
potenti
•
Per ricostruire il suono originario non
basta un recettore!
•
La ricostruzione completa del suono
necessitera’ di un confronto tra le
risposte di recettori con campi
adiacenti
Localizzazione del segnale
• Stimolo tattile che attiva piu’ recettori adiacenti
• Localizzazione spaziale grossolana a livello dei recettori
Ottimizzazione della localizzazione
1- aumentare il
numero dei recettori
• Vantaggi: maggiore
risoluzione
• Svantaggi: costi
metabolici
Ottimizzazione della localizzazione
In tutti I sistemi sensoriali, la densita’
di recettori e’ massima nelle regioni
piu’ usate per l’esplorazione
Le linee rappresentano la distanza
tra due punti percepiti come distinti
dal sistema tattile nelle varie parti
del corpo.
La distanza e’ minima a livello dei
polpastrelli e massima sul dorso o
sulle gambe.
Inibizione laterale
stimolo
interneuroni
inibitori
In assenza di inibizione laterale la
divergenza dei segnali dai recettori
degrada la localizzazione del
segnale
In presenza di inibizione laterale il
feedback inibitorio migliora la
localizzazione del segnale a livello
dei neuroni afferenti secondari
Capacita’ di informazione
Modalita’
Numero
recettori
Capacita’ di
informazione
(bit/s)
Vista
2*108
107
Udito
3*104
105
Tatto
107
106
Gusto
3*107
103
Olfatto
7*107
105
La capacita’ di informazione non e’ solo funzione del numero di recettori!!!
Cinetica dei segnali temporali
• Recettori tonici (seguono
fedelmente lo stimolo nel
tempo)
Recettori
• Recettori fasici (seguono le
variazioni dello stimolo nel
tempo)
• I recettori del dolore
mostrano un andamento
temporale anomalo
(iperalgesia)
Corpuscoli
di Meissner
Campi
recettoriali
Scarica
Stimolo
Dischi di Merkel
Corpuscoli
di Pacini
Terminazioni
di Ruffini
Adattamento
• Lo stesso stimolo in condizioni diverse puo’
generare risposte di diversa ampiezza
• Fenomeni di adattamento e modulazione
aggiustano la risposta sensoriale alle
necessita’ dell’organismo (es. Adattamento
al buio della retina)
• L’adattamento puo’ essere dovuto a piu’
fenomeni diversi
Schema delle vie sensoriali
1.Recettori periferici
2.Nervi afferenti primari
3.Stazioni di rele’ subtalamiche
4.Talamo
5.Corteccia primaria
6.Cortecce secondarie
7.??
A tutti I livelli il flusso di informazione e’
bidirezionale (sistemi efferenti)