Attività di brainstorming in classe

Attività di brainstorming in classe

Frase guida: Tutte le attività che svolgiamo e tutte le emozioni che proviamo dipendono dalla trasmissione del segnale nervoso tra i neuroni. Come può la materia organica raccogliere, analizzare e trasmettere informazioni con altissima precisione e velocità? Il nostro benessere si basa sul corretto funzionamento di ogni elemento della rete neuronale. Quali tecnologie possono essere utilizzate per intervenire se qualcosa non funziona correttamente?

Livello Base

• Neuroni
• La genesi dello stimolo nervoso
• Il modello fisico della propagazione del segnale in un neurone

Neuroni

Il cervello umano contiene circa 100 miliardi di cellule, i neuroni, specializzati nella trasmissione dei segnali nervosi, principalmente di natura elettrica. Un neurone è composto da diverse parti, ciascuna con funzioni specifiche: un corpo cellulare (o soma), che contiene il nucleo, i dendriti e l'assone. Il segnale nervoso, proveniente da altri neuroni o dagli organi recettori, viene raccolto e trasmesso al nucleo attraverso i dendriti, estensioni corte e ramificate del nucleo. All'interno del corpo cellulare, il segnale viene elaborato e trasmesso all'assone, che è una lunghissima estensione con il compito di portare il segnale elettrico ad altre cellule. A separare l'interno del neurone dal liquido interstiziale esterno è la membrana citoplasmatica. Gli assoni sono talvolta avvolti per la maggior parte della loro lunghezza da un materiale isolante spesso, la guaina mielinica. Nella sua parte finale, l'assone si ramifica in un numero variabile di terminazioni, i bottoni sinaptici, dove il segnale elettrico viene convertito in segnale chimico, tramite un neurotrasmettitore.

^{Fonte     immagine:    Online Medicine}

I neuroni presentano una differenza di potenziale elettrico tra l'interno e l'esterno della membrana citoplasmatica, dovuta principalmente a una diversa concentrazione di ioni sodio Na+ e potassio K+ sui due lati della membrana. Quando il neurone è a riposo, cioè non trasmette segnali, questa differenza di potenziale, chiamata potenziale di riposo, ha valori compresi tra -60 mV e -80 mV. La membrana citoplasmatica possiede canali e pompe ioniche che si aprono e chiudono in risposta a determinati stimoli, regolando il passaggio degli ioni e modificando di conseguenza il potenziale elettrico.

 
L'interno della cellula è ricco di ioni K+ e di ioni negativi legati a macromolecole organiche, mentre l'esterno della cellula è ricco di ioni Na+ e Cl-. La concentrazione degli ioni Na+ e K+ è regolata da tre proteine di membrana chiamate canali o pompe ioniche:

• canali del sodio;
• canali del potassio;
• la pompa sodio-potassio.

La membrana del neurone possiede molti canali del potassio: questi canali spingono gli ioni K+ dall'interno della membrana verso l'esterno, anche se in questo modo aumentano la negatività all'interno della cellula. D'altra parte, gli ioni negativi all'interno della cellula non possono diffondere all'esterno perché sono troppo grandi per attraversare la membrana. 

I canali del sodio sono pochi e tendono a diffondere gli ioni sodio verso l'interno.
La pompa sodio-potassio agisce contro la direzione naturale del flusso ionico, spingendo Na+ all'esterno e K+ all'interno della cellula. Quando è a riposo, la membrana è praticamente impermeabile all'ingresso degli ioni Na+.

Riflettiamo insieme: I neuroni sono le cellule più antiche del corpo: non sono in grado di duplicarsi e, in caso di lesioni che ne causano la morte, quelli circostanti non sono in grado di sostituirli. Con il passare degli anni, la funzionalità del Sistema Nervoso diventa meno efficace: la ricerca è quindi interessata a trovare nuovi metodi per potenziare la capacità del cervello di produrre nuovi neuroni (neurogenesi) per migliorare l'apprendimento e la memoria. Cosa puoi fare per mantenere sani i tuoi neuroni? Come puoi mantenere la mente allenata?

La genesi dello stimolo nervoso

Tutti i segnali provenienti dall’esterno vengono captati dai dendriti e trasferiti al nucleo. Se uno stimolo arriva al nucleo di un neurone e riesce a modificare il potenziale di riposo fino a raggiungere un valore soglia (circa -50 mV), si genera un potenziale d’azione o impulso nervoso che si propaga lungo l’assone.

La genesi del potenziale d’azione è legata allo scambio di ioni attraverso alcuni canali voltaggio-dipendenti di sodio Na+ e potassio K+. I canali del sodio si aprono per primi, quando il potenziale raggiunge il valore soglia, spingendo gli ioni all’interno della cellula che è negativa e depolarizzando rapidamente la membrana. Il flusso degli ioni sodio all’interno della membrana provoca un’inversione di polarità: all’interno della membrana ora c’è un eccesso di carica positiva, e all’esterno una carenza di carica positiva. In questo modo la membrana si depolarizza, fino a raggiungere un potenziale di +50 mV, il valore massimo del potenziale d’azione.

La condizione di depolarizzazione, però, dura da 1 a 2 millisecondi.

Dopo questo, nel tempo, i canali del sodio voltaggio-dipendenti si chiudono e si aprono quelli del potassio voltaggio-dipendenti. Questi ultimi si aprono più lentamente e rimangono aperti più a lungo: gli ioni K+ scorrono verso l’esterno della membrana che inizia a ripolarizzarsi, riportando il potenziale a un valore negativo. Il flusso di K+ persiste generando una fase di iperpolarizzazione e il potenziale diventa più negativo del potenziale di riposo. Infine, tutti i canali voltaggio-dipendenti si chiudono e riprende l’attività della pompa sodio-potassio, che ripristina il potenziale di riposo della membrana plasmatica. L’ampiezza (circa +50 mV) e la durata (circa 2 millisecondi) del potenziale d’azione sono fissi, cioè non dipendono dalla quantità di eccitazione.

Il segnale elettrico che si propaga attraverso il neurone e viene poi trasmesso ai neuroni successivi segue la seguente sequenza di eventi estremamente rapidi:

• lo stimolo elettrico elaborato dal nucleo provoca l’apertura dei canali del sodio voltaggio-dipendenti in un segmento vicino al nucleo; quando viene raggiunto il valore soglia, si genera il primo potenziale d’azione.
• la depolarizzazione si propaga lungo l’assone causando l’apertura dei canali del sodio voltaggio-dipendenti presenti nelle zone di membrana adiacenti; di conseguenza, si genera un secondo potenziale d’azione, che a sua volta ne genererà un terzo e così via.
• Contemporaneamente, nell’area che si era depolarizzata per prima, si sono aperti i canali del potassio voltaggio-dipendenti, riportando la membrana al potenziale di riposo.
• I potenziali si propagano solo in una direzione perché, dopo la chiusura, i canali del sodio voltaggio-dipendenti vanno incontro a un periodo refrattario durante il quale non possono riaprirsi.

Propagazione del potenziale d’azione lungo un assone non mielinizzato: video su: Propagazione del potenziale d’azione in un assone non mielinizzato - Fisiologia medica animata - YouTube

Le fibre nervose rivestite da guaina mielinica sono più impermeabili, poiché la guaina agisce come isolante elettrico: di conseguenza, la depolarizzazione e la propagazione del potenziale d’azione avvengono solo nei tratti in cui essa non è presente, detti nodi di Ranvier. Il segnale nervoso “salta” da un nodo all’altro con una velocità superiore rispetto alle fibre non mielinizzate.

Riflettiamo insieme: La trasmissione del segnale elettrico in un neurone prima e verso altri neuroni poi, è rapida e precisa. La velocità di trasmissione e l’accuratezza delle informazioni sono fattori decisivi per svolgere correttamente tutte le attività umane. Quando qualcosa in questo meraviglioso meccanismo si inceppa o si ferma, causando una malattia neurologica, l’impatto sulla qualità della vita delle persone colpite è devastante. La ricerca sui principi di funzionamento della trasmissione del segnale neuronale è alla base delle più avanzate neurotecnologie, che sfruttano la stimolazione elettrica come terapia. Hai mai sentito parlare di elettrodi applicati a pazienti paralizzati che sono tornati a camminare?

Il modello fisico della propagazione del segnale in un neurone

Per un rapido ripasso su capacità e condensatori: Condensatori e capacità di un condensatore (youmath.it)

Per un rapido ripasso su resistenza e resistori: Resistori, resistenza elettrica e resistività elettrica (youmath.it)

L’assone è simile a un cavo coassiale. La parte interna dell’assone è il nucleo conduttore centrale del cavo.

La sua resistenza è elevata, principalmente a causa della sua piccola sezione trasversale. Per descrivere le proprietà elettriche del citoplasma, si introduce la resistenza per unità di lunghezza ri.
Anche la parte esterna dell’assone è un conduttore, ma la sezione esterna è molto più grande di quella interna e quindi la resistenza offerta dal liquido interstiziale è trascurabile rispetto a quella interna. La membrana isolante costituisce un condensatore, poiché l’interno e l’esterno dell’assone si comportano come due piastre conduttrici, accumulando cariche di segno opposto. In parallelo al condensatore, va considerata una resistenza, che tiene conto del flusso di ioni attraverso la membrana stessa. Per schematizzare il comportamento elettrico della membrana, si introducono due grandezze, la capacità per unità di lunghezza cm e la conduttanza per unità di lunghezza della membrana σμ (da cui ricaveremo la resistenza della membrana per metro rm).

L’assone può quindi essere schematizzato da un circuito costituito da una successione di maglie con resistori e condensatori.

Il potenziale di stimolo dipenderà dal tempo e dalla posizione lungo l’assone. Infatti, è caratterizzato da due parametri: la costante di tempo τ e la costante di spazio λ. Il modello matematico del circuito permette di ricavare l’andamento del potenziale sia in funzione del tempo che della posizione. Nel primo caso avremo:

dove Vsmax è il valore massimo raggiunto dal potenziale e τ = rmcm.

La costante di tempo τ (dell’ordine dei ms) è l’intervallo di tempo necessario affinché il potenziale di stimolo raggiunga il 63% del suo valore massimo: è una misura di quanto velocemente risponde il neurone.

Allontanandosi dal punto in cui viene generato, il potenziale di stimolo decade con la distanza a causa degli effetti combinati delle resistenze ri e rm.
Il potenziale di stimolo tende a diminuire secondo la legge:

dove Vsmax0 è il potenziale di stimolo nel punto di origine e λ è la costante di spazio.

La costante di spazio λ (dell’ordine dei mm) è la distanza alla quale la differenza di potenziale iniziale decade al 37% del suo valore massimo.

 
È una misura di quanto lontano può fluire la corrente lungo l’assone prima di dissiparsi a causa delle correnti di dispersione.
Quindi, dopo aver percorso una distanza pari a λ, il segnale si è ridotto a circa 1/3 e dopo 2 λ è circa 1/7 del segnale originale e non può più innescare il potenziale d’azione. In realtà, gli stimoli percorrono distanze molto maggiori, dell’ordine di un paio di metri, grazie all’intervento di altri meccanismi che qui non stiamo considerando. Matematicamente, la costante di spazio si descrive come:

Il principale fattore che influenza la resistenza interna ri è il raggio dell’assone: gli assoni di grande diametro hanno una minore resistenza ai flussi di corrente longitudinale e, quindi, una minore resistenza assiale; di conseguenza, avranno una dell’assone ra.

relazione che concorda con i risultati sperimentali.

Riflettiamo insieme: Il termine modello è una rappresentazione, a volte una semplificazione, di un fenomeno capace di spiegarne il funzionamento. Utilizzare un modello fisico per interpretare e comprendere un fenomeno biologico risponde all’esigenza evidenziata da diversi studiosi di neuroscienze di rimuovere le barriere tra le diverse discipline, sfruttando appieno le risorse e le tecniche di diversi ambiti disciplinari. Hai mai pensato di utilizzare le tue conoscenze in campi diversi dal tuo?

Livello Avanzato

• Analisi del modello dal punto di vista matematico
• Flipped Learning

Analisi del modello dal punto di vista matematico

(PDF da visualizzare)

Apprendimento Capovolto

Leggi l'articolo proposto. Concentrati in particolare sullo studio dei segnali nervosi e sulle tecniche di elettrofisiologia descritte nell'articolo. Completa poi lo studio analizzando quali campi di ricerca, secondo l'articolo, sono più efficaci per lo studio dei circuiti neuronali.

Commentiamo lo studio dei segnali nervosi proposto nell'articolo:

Tecniche di elettrofisiologia più comuni:

• La tecnica Patch Clamp
• La tecnica inside-out e outside-out
• La registrazione extracellulare

Alleanze particolarmente efficaci con l'elettrofisiologia:

• farmacologia
• ingegneria genetica, optogenetica