[0:25]Ben ritrovati a tutti nella playlist di Neuroscienze. Dopo aver trattato i primi tre argomenti e cioè un'introduzione alle neuroscienze, per capire di cosa tratta questa materia, abbiamo poi visto com'è fatto un neurone e qual è la sua funzione e poi successivamente le cellule gliali. Oggi andremo a trattare uno degli argomenti più complicati di questa materia. E cioè, come fa a propagarsi il segnale nervoso, che poi sostanzialmente è un segnale elettrico, all'interno dei neuroni, tra un neurone e l'altro. Andremo quindi ad affrontare per primo l'argomento denominato potenziale d'azione e cioè come si scatena il segnale e poi vedremo anche come viene trasmesso tra un neurone e l'altro e quindi andremo a trattare le sinapsi. Ricordo a tutti, inoltre, che se voleste supportare il lavoro di questo canale, in descrizione c'è un link per effettuare una donazione. È totalmente libera e nel caso la faceste, io ve ne sarei molto grato. Detto questo, iniziamo. Innanzitutto, a cosa serve la trasmissione dell'impulso nervoso? Il nostro sistema nervoso serve a ricevere gli stimoli, elaborarli e poi calibrare una risposta, così da poterci adattare all'ambiente circostante. Di conseguenza, i neuroni e cioè le cellule più importanti del sistema nervoso hanno due caratteristiche principali: l'eccitabilità, e cioè la capacità di generare un impulso elettrico in risposta ad uno stimolo, e la conducibilità, e cioè questo impulso lo devono trasmettere, soprattutto ad altre cellule. Per fare questo, dobbiamo capire come si strutturano le cariche a ridosso della membrana plasmatica del neurone. Faccio alcune precisazioni iniziali. Innanzitutto, attraverso la membrana plasmatica delle cellule, gli ioni e quindi gli atomi o le molecole con carica positiva o negativa non possono diffondere in modo semplice. E cioè, per far passare una molecola o un atomo carico, deve passare per forza attraverso dei canali di membrana, e cioè dei canali proteici, delle proteine fatte a canestro, che facilitano questo passaggio. Sennò, semplicemente, gli ioni più, gli ioni meno, non può o anche le molecole molto grandi in realtà, non possono passare attraverso la membrana. Altra precisazione molto importante è che solitamente gli ioni, ma come qualsiasi altra molecola, tendono a diffondere secondo gradiente. Il gradiente può essere chimico o elettrico, e cioè, prendiamo il gradiente chimico, ad esempio, se io ho una grande quantità, una grande concentrazione di una determinata molecola da una parte della membrana e una bassa concentrazione dall'altra parte della membrana, ecco che quella molecola vorrà passare da dove ce n'è di più a dove ce n'è di meno, e cioè si dice che vorrà diffondere secondo gradiente. Questa è una proprietà importante di ogni sistema che viene separato da una membrana semipermeabile. Ecco, da qua allora possiamo andare a studiare come si distribuiscono le cariche all'interno e all'esterno della membrana, e di conseguenza, quindi, come avviene la trasmissione dell'impulso elettrico. Prima di tutto, le cellule nervose trasformano in impulsi elettrici stimoli di varia natura. In condizioni di riposo, cioè in assenza di stimoli, la membrana dei neuroni è lievemente polarizzata: il lato interno è ricco di cariche negative, mentre il lato extracellulare è carico positivamente.
[4:06]Ora, questa polarizzazione non è assoluta, non l'abbiamo solo più e solo meno, ma abbiamo un po' più di cariche positive all'esterno, un po' più di cariche negative all'interno della membrana e cioè nel citoplasma. Questo da cosa dipende? Dipende dalla distribuzione principalmente di due tipi di ioni che si distribuiscono in maniera diversa ai due lati della membrana. All'esterno, la cellula è ricca di ioni Na+, e in misura minore di ioni Cl-.
[4:38]Però in questo momento degli ioni negativi non ce ne preoccupiamo. Nel citoplasma, i principali ioni positivi sono gli ioni K+, ma predominano gli ioni negativi come i gruppi fosfato.
[4:56]Quindi noi abbiamo una grande quantità di ioni Na+ fuori dalla cellula, una piccola quantità di ioni K+ all'interno della cellula. Poi ci sono anche dei K+ fuori, ma sono pochissimi, ci sono anche degli Na+ dentro, ma sono pochissimi. Tutto questo lo vediamo in questa bell'immagine, in cui notiamo quanti Na+ ci sono fuori, ci sono anche dei K+, quanti K+ ci sono dentro, ci sono anche degli Na+, ecco però le cariche positive, cioè tutti i più, sommati insieme, saranno molto maggiori fuori rispetto a dentro. Tant'è che il potenziale di riposo, cioè il potenziale, quindi la differenza che si viene a creare nel momento in cui la cellula non deve trasmettere nessuno stimolo è di -60 -70 mV. Noi utilizzeremo -70, perché ci viene più comodo. Ovviamente tutte le misure che utilizziamo sono un circa e cioè sono misure che in linea di massima sono così, poi a seconda delle cellule e a seconda della situazione, potrebbero variare, ma non di tantissimo, ecco. Quindi possiamo dire che il potenziale di riposo è dovuto alla differenza di concentrazione degli ioni ai due lati della membrana. Ci sono molti più ioni positivi, sia che siano Na+, che K+, noi sappiamo che però sono in predominanza Na+, all'esterno, mentre invece ci sono molti meno ioni positivi all'interno. Predominano i K+, però comunque sono meno rispetto a quelli dell'esterno. Quindi noi abbiamo un esterno caricato positivamente, un interno caricato negativamente. Di conseguenza, se noi infiliamo un voltmetro che va a misurarci con due elettrodi l'interno e l'esterno della membrana, misuriamo che all'interno, cioè nel citoplasma, abbiamo un -70 mV. Quindi una differenza di potenziale tra interno e esterno di -70 mV. Ora ci si chiede: ok, ma perché nelle cellule e più precisamente nei neuroni, viene mantenuta questa disparità di cariche tra interno ed esterno? Ecco, questo viene fatto possiamo dire in un certo senso apposta tramite dei canali, dei canali proteici, li vedete qua nell'immagine molto ben fatte che vanno a determinare quindi questa differenza di cariche. Queste proteine canale sono i canali del potassio, i canali del sodio, ovviamente, e poi c'è una pompa sodio-potassio. Le pompe sono dei canali che funzionano attraverso l'utilizzo di ATP. Ecco, questa parte riguardante il trasporto transmembrana lo potete andare a riprendere in un video apposito, e cioè la lezione riguardante le membrane cellulari. Per farla molto breve, però, e dare un piccolo ripasso, la pompa sodio-potassio porta tre ioni sodio fuori e due ioni potassio dentro. Quindi per ogni tre sodio che porta fuori, porta tre potassio dentro. Questo lo fa anche contro gradiente, cioè, non gli interessa se ci sono troppi sodio fuori o troppi potassio dentro, lei lo fa perché lo fa consumando energia, cioè, è proprio una pompa, cioè lei spinge tre sodio fuori e spinge tre potassio dentro. Ogni volta che porta tre sodio, porta tre potassio per forza, li porta in modo opposto, cioè butta fuori i sodio, porta dentro i potassio, anche contro gradiente, come abbiamo detto. Ecco, questi canali ionici possono essere regolati dal voltaggio, quindi a seconda che gli arrivi una carica elettrica, da gradiente chimico, quindi i vari canali, non la pompa sodio-potassio, possono essere governati dal gradiente chimico, e cioè quanta di quella specie ce n'è già fuori o dentro, oppure meccanicamente. Ecco, certi canali possono essere anche influenzati da alcune situazioni meccaniche, fisiche. Avendo capito quindi come va a stabilirsi il potenziale di riposo e cioè quando la cellula sostanzialmente non fa niente, dobbiamo andare a vedere come parte l'impulso. Lo vediamo bene in questa slide, in questa immagine. Vi ho segnato con la freccia rossa la soglia e cioè il punto in cui l'impulso parte. Allora dobbiamo dire che potrebbero arrivare vari stimoli. Ogni stimolo può andare ad alterare la differenza di potenziale della membrana. Perché, vari stimoli, come abbiamo detto, meccanici, chimici o anche elettrici, possono andare a aprire o chiudere determinati canali. Però finché un impulso non è abbastanza forte, che non fa cambiare radicalmente il potenziale di membrana, ecco che il segnale non parte. Per far sì che il segnale parta, questo stimolo deve riuscire a far cambiare il potenziale di membrana da -70, che è quello di riposo, fino a -50. Se non arriva a -50, non parte nulla. Saranno degli stimoli che però non andranno a influire sulla trasmissione del segnale. Non faranno partire nessun segnale. Nel momento però in cui uno stimolo è abbastanza forte per arrivare, far cambiare il potenziale di membrana e farlo arrivare a -50 mV,
[10:58]ecco che a questo punto parte una catena di eventi che si chiama proprio potenziale d'azione. Il primo evento è l'apertura di determinati canali, solitamente sodio, che fanno entrare, appunto, un po' di ioni sodio. In questo caso, quindi, questa cosa viene fatta dalla gente stimolante, che va a stimolare proprio questa entrata. Ecco che questa entrata di ioni sodio fa variare inizialmente il potenziale di membrana. Quando raggiunge -50, come dicevamo, arriva un evento molto importante e cioè si aprono, lo vediamo bene in questa immagine, i canali sodio voltaggio-dipendenti. E cioè, è un po' come se la cellula avesse capito: ah, cavolo, mi è arrivato uno stimolo molto forte, qua devo far partire un segnale. Allora qua si mette d'impegno per farlo partire, sostanzialmente. E quindi va a far aprire i canali sodio voltaggio-dipendenti, cioè, sono dei canali sodio che si aprono grazie al voltaggio, cioè, grazie alla corrente elettrica. Questo perché sono canali che proprio hanno percepito che è cambiato il potenziale di membrana e si sono aperti. Allora qua però entrano a cascata gli ioni sodio, lo vediamo bene qua. Cioè, tutti gli ioni sodio che erano fuori dalla cellula vengono portati dentro. E allora qua c'è una grande entrata di ioni sodio all'interno della cellula, e c'è una depolarizzazione rapidissima. Ecco, vedete come sale la linea, appunto, misurata dal voltmetro, e cioè quell'apparecchio che mi va a determinare la differenza di potenziale. Questo perché entrando tanti più dentro la cellula, ecco che l'interno della cellula diventa caricato positivamente. Raggiunge fino ai +35 mV, quindi si passa da un ambiente negativo a un ambiente positivo.
[12:25]Il potenziale di -50 mV si chiama potenziale soglia, e cioè il potenziale a cui viene fatto partire l'impulso.
[12:51]Ora vediamo la fase di ripolarizzazione. Perché raggiunto questo valore soglia, come abbiamo già detto, molti canali per il sodio, quelli voltaggio-dipendenti, si aprono e un gran numero di ioni Na+ passano dall'esterno all'interno della cellula. Ora, dato che la concentrazione di cariche positive all'interno aumenta considerevolmente, il potenziale si inverte bruscamente e raggiunge un valore di +35 mV. E questo viene detto proprio potenziale d'azione. Ve lo simboleggiato qua nell'immagine, quello che avviene. Ora, dovete anche sapere, non l'ho messo nella slide, ma ve lo dico a voce, che a questo punto, raggiunta questa soglia di +35 mV, i canali del sodio voltaggio-dipendenti si inattivano, e cioè non fanno più entrare altro sodio, perché sennò ovviamente si potrebbe salire ancora con il potenziale di membrana. Ma si bloccano a +35 mV, si inattivano. Vediamo qua, vi ho reinserito l'immagine di quello che succede, e cioè i canali Na+ voltaggio-dipendenti fanno entrare tantissimo sodio. Questa sequenza di eventi, abbiamo detto, viene detta depolarizzazione della membrana. E raggiunge un limite, +35 mV.
[14:21]Attenzione, qua è stato fatto partire il segnale, e cioè già dalla slide precedente in realtà, ecco che qua abbiamo effettivamente la realizzazione del segnale. Andiamo avanti. Vediamo quindi poi cosa succede dopo che il segnale è partito, perché ci dovrà essere un ritorno alla situazione di riposo, perché sennò non può partire un successivo segnale.
[14:51]Ecco che pochi istanti dopo le proteine canale per il sodio si richiudono, come abbiamo detto. Però si devono aprire quelle per il potassio, perché, in realtà, la cellula non fa una grossa distinzione in questa fase tra sodio e potassio. La cellula dice: cavolo, mi sono entrati tanti più dentro, devo buttare altrettanti più fuori. Solo che in questo caso, i canali del potassio sono un po' più lenti e quindi la cellula li apre successivamente. A questo punto, però, quando si aprono, vengono sparati fuori tanti potassio. Il potassio, ricordiamolo, ha carica positiva anche lui e quindi la cellula sostanzialmente cerca di equilibrare il tutto. Essendo che sono entrati tanti più dentro, cerca di portare tanti più fuori. Piccolo problema, non sta riportando fuori il sodio che sono entrati, sta riportando fuori il potassio. Dopo vedremo questo cosa comporta. Di conseguenza, quindi, i canali per il potassio che nel frattempo, abbiamo detto, erano chiusi, si aprono e, grazie all'azione della pompa sodio-potassio, vengono ristabilite le condizioni di riposo. Questo processo è detto ripolarizzazione della membrana. I canali del potassio, però, abbiamo detto, che sono lenti a richiudersi. E quindi non raggiungono effettivamente il potenziale di riposo, ma siccome ci mettono tanto a chiudersi, fanno uscire un po' più potassio di quello che servirebbe, quindi un po' più cariche positive di quello che servirebbe. E così si avrà un breve momento in cui il potenziale scende sotto anche il valore di riposo, cioè, invece che ritornare a -70 mV, scende ancora un po' più giù. -90 mV, questa fase è chiamata iperpolarizzazione. Ed è dovuta proprio alla lentezza nel chiudersi dei canali del potassio. Ora, come abbiamo detto, però, dopo questa fase di iperpolarizzazione, lo vediamo anche nell'immagine, c'è una fase poi in cui il potenziale ritorna come potenziale di riposo. E quindi, piano piano, come c'è scritto anche qua, la pompa sodio-potassio andrà a fare il suo lavoro, riporterà i sodio fuori, i potassio dentro e piano piano si ristabilisce l'equilibrio e quindi il potenziale di -70 mV.
[17:30]Adesso, grazie a una rappresentazione, cerchiamo di andare a ripassare quello che abbiamo appena studiato. In questa lezione non sono riuscito a inserire tante animazioni, perché è un argomento molto complesso. Infatti, vedete slide molto piene, molto discorsive. Ho provato però in questo modo, cercando di fare un ripasso utilizzando qualcosina di un po' più grafico, un po' più animato.
[18:29]E quindi partiamo dal potenziale di riposo. Abbiamo detto che il potenziale di riposo è -70 mV. In questo caso prevalgono i più fuori e i meno dentro. Fuori c'è tanto Na+, dentro c'è tanto K+, però ce n'è poco, perché, ovviamente, prevalgono i meno in questo caso. Di conseguenza, abbiamo un potenziale, come abbiamo detto, di -70 mV.
[19:07]Ora, può arrivare uno stimolo. Nel momento in cui arriva uno stimolo elettrico, chimico o meccanico, fa aprire i canali Na+. I canali del sodio si aprono massivamente, entra tanto Na+, e quindi di conseguenza la membrana va a prendere un potenziale positivo e anche molto positivo, e cioè +35 mV. Questa fase si chiama fase di depolarizzazione della membrana. Ora, però, la cellula deve far tornare tutto a riposo. E quindi cerca di far uscire le cariche positive. Però non fa uscire più gli Na+, ma fa uscire i K+. Di conseguenza, si aprono i canali del potassio, che finora erano chiusi, e si chiudono, però, quelli del sodio. Esce il K+, e questa fase si chiama di ripolarizzazione. Abbiamo, però, detto che nella ripolarizzazione c'è anche una fase in cui, essendo i canali del K+ un po' lenti, esce troppo K+. E quindi il potenziale scende sotto la soglia del potenziale di riposo, e quindi scende sotto i -70 mV. Arrivando fino anche a -90 mV circa. Ecco che questa fase l'abbiamo chiamata iperpolarizzazione. Ora, molto tranquillamente, grazie alle varie proteine di membrana e alla pompa sodio-potassio, ritorna il potenziale di riposo, e cioè vengono riportati i sodio fuori, vengono riportati i K+ dentro, viene ristabilito l'equilibrio che c'era prima. Ebbene, ma in effetti, perché questo ci interessa? Perché, in effetti, la propagazione del segnale avviene in una sola direzione proprio grazie a questo. E cioè, grazie al fatto che dove il segnale è già passato, e cioè dove il potenziale d'azione è già avvenuto, non riavvia, non può riavvenire, quindi può arrivare, può andare solo in una direzione. E cioè, l'impulso nervoso si trasmette lungo la membrana degli assoni delle cellule nervose. E fin qua lo sappiamo già perché lo abbiamo studiato nelle lezioni precedenti. Il potenziale d'azione è un fenomeno elettrochimico localizzato. Perché si verifichi la trasmissione dell'impulso, la depolarizzazione deve trasmettersi dalla zona in cui è avvenuta al tratto immediatamente adiacente. La propagazione dello stimolo avviene esclusivamente in una direzione grazie al fatto che, nel tratto interessato dal potenziale d'azione, vige un periodo refrattario, che impedisce la trasmissione della depolarizzazione nella stessa direzione da cui è provenuta, evitando, di fatto, che la trasmissione dell'impulso si blocchi. E in questa immagine lo vediamo bene. E cioè, la depolarizzazione della membrana in un dato punto, fa sì che quel punto, in quel momento lì, diventi refrattario. Di conseguenza, però, la depolarizzazione di quel punto della membrana fa entrare tanti ioni sodio. Entrando tanti ioni sodio, si va a depolarizzare non solo questo punto, ma, ovviamente, essendo che il citoplasma è tutto unito, si va a depolarizzare anche il punto adiacente. Il punto adiacente valuta questa depolarizzazione come un vero e proprio stimolo e quindi fa ripartire il segnale, fa ripartire il potenziale d'azione, cioè, lo valuta come un segnale, come uno stimolo. Di conseguenza, però, anche qua ci sarà poi una situazione di refrattarietà. Però, l'entrata di ioni sodio va a depolarizzare la parte adiacente della membrana, che farà partire una depolarizzazione, che diventerà refrattaria, e farà partire la depolarizzazione della fase adiacente, e via così. Quindi l'impulso si trasmette in questa direzione. In conclusione, ultima precisazione è che negli esseri umani abbiamo una trasmissione saltatoria. E cioè, gli assoni delle cellule nervose umane sono avvolti, come abbiamo già studiato, dalle cellule di Schwann, o dagli oligodendrociti, che formano la guaina mielinica, e cioè una membrana isolante, che viene interrotta solo in corrispondenza dei cosiddetti nodi di Ranvier, e cioè i punti in cui, appunto, non c'è la guaina mielinica. L'impulso nervoso procede, quindi, saltando da un nodo di Ranvier all'altro, e quindi, in questo caso, avanza molto più rapidamente di quanto farebbe se dovesse percorrere l'intero assone. Esempi di questa cosa sono, appunto, gli assoni dei calamari, ad esempio, delle seppie che non hanno la guaina mielinica, e che devono essere con un diametro molto grosso per far passare il segnale in maniera molto veloce. Negli organismi, invece, molto grandi, in questo caso, conviene avere degli assoni isolati, e far passare il segnale saltando, vedete, da un nodo di Ranvier all'altro, perché, comunque, il segnale si propaga, la depolarizzazione avviene lo stesso, fa aprire, come vedete nella seconda parte dell'immagine, i canali del sodio nel secondo nodo di Ranvier. Non può tornare indietro il segnale, perché in questa parte c'è una refrattarietà, ma può andare avanti dove, invece, i canali non sono ancora stati aperti, che verranno aperti, perché questo è un vero e proprio stimolo, che li fa aprire e via così, il segnale continua a propagarsi. Bene ragazzi, con questa abbiamo concluso questo argomento, secondo me, molto complesso. Spero di essermi fatto capire al massimo, e se così è stato, lasciate pure un mi piace che mi aiutate con l'algoritmo di YouTube. Come già detto, in descrizione troverete il link per effettuare, volendo, una donazione. Ve ne sono molto grato. E per continuare a seguire i video e le lezioni su questo canale, iscrivetevi. Io con questo vi saluto e vi do appuntamento al prossimo video.
