Il potenziale d'azione - Tutto o Niente

Come descritto nei nostri precedenti blog (Nervi, Trasmissione del dolore), i segnali come ad esempio il dolore vengono generati e trasmessi dalle nostre cellule nervose per poi essere interpretati nel cervello. Ma come funziona esattamente questa generazione del segnale? Come fa il nostro corpo?

Ciò avviene attraverso differenze di potenziale elettrico ed è un processo entusiasmante e affascinante:

Il potenziale di membrana a riposo

Nell'ambiente acquoso del nostro corpo si trovano gli ioni (atomi carichi). Questi possono formarsi spontaneamente quando i sali (ad es. il sale da cucina: cloruro di sodio NaCl) vengono sciolti in solventi polari (come l'acqua H2O). Si formano così anioni positivi (nel caso del sale da cucina NaCl, da un lato ioni sodio Na+) e cationi negativi (dall'altro ioni cloruro Cl-). Anche le proteine in un ambiente acquoso diventano cationi carichi negativamente.

Abbiamo quindi nel nostro corpo particelle cariche elettricamente positive e negative.

Per accorciare e semplificare un po', ecco alcuni importanti ioni e fatti sulla loro distribuzione nel corpo umano:

• Gli ioni proteici negativi si trovano principalmente ALL'INTERNO della cellula

• Anche gli ioni potassio positivi K+ si trovano principalmente ALL'INTERNO della cellula

• Gli ioni sodio positivi Na+ si trovano principalmente ALL'ESTERNO della cellula

Questo, tra le altre cose, determina in tutte le cellule una differenza di potenziale con una carica negativa tra lo spazio intracellulare (RIC, all'interno della cellula) e quello extracellulare (REC, all'esterno della cellula).

Questo è il cosiddetto potenziale di membrana a riposo (o potenziale di equilibrio).

Questo potenziale di riposo varia a seconda delle diverse cellule. Nelle cellule nervose e muscolari è di circa -70 a -90 mV.

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Il potenziale d'azione

Attraverso uno stimolo esterno (neurotrasmettitore o segnale elettrico ai dendriti), la permeabilità della membrana cellulare di un neurone viene modificata prima per il sodio e poco dopo anche per gli ioni potassio; si aprono i canali e si attivano i processi di diffusione:

Poiché non ci sono quasi ioni sodio nella cellula, questi ioni positivi Na+ irrompono (per primi) nel RIC e la polarità intracellulare viene così modificata. Ciò porta a una depolarizzazione della cellula. Se lo stimolo è sufficientemente forte e supera la tensione di soglia (soglia di eccitazione) di circa -55mV, si verifica una depolarizzazione completa della cellula nervosa: si genera un potenziale d'azione (con un over-shoot) e una risposta del tipo tutto o niente della cellula nervosa, per cui la tensione sale brevemente a circa +20mV tra RIC e REC!

I canali del sodio per l'afflusso di Na+ vengono poi richiusi.

Il segnale elettrico del potenziale d'azione viene trasmesso lungo l'assone della cellula nervosa.

Nota: questo potenziale d'azione, ovvero l'attivazione del segnale di una cellula nervosa, si innesca solo se viene superata la soglia di eccitazione (circa -55 mV) di un neurone. Se la soglia non viene raggiunta, si ha comunque una leggera depolarizzazione, ma non secondo il principio del tutto o niente e di conseguenza senza potenziale d'azione! Pertanto non viene attivato né trasmesso alcun segnale. 

La ripolarizzazione con iperpolarizzazione

Nella successiva fase di ripolarizzazione, i numerosi ioni potassio continuano a fluire fuori dalla cellula (dove c'è poco K+) attraverso i canali rimasti aperti più a lungo (rispetto a quelli per il sodio), il che porta a un'iperpolarizzazione (a circa -100mV) dopo un potenziale d'azione.

In seguito, attraverso processi attivi assistiti dalle pompe sodio-potassio, vengono ripristinate le distribuzioni originali (quindi Na+ nel REC e K+ nel RIC), permettendo di raggiungere nuovamente e in modo relativamente rapido la tensione di riposo originaria da -60 a -90 mV.

Questa iperpolarizzazione rende più difficile una nuova stimolazione diretta con attivazione di un potenziale d'azione (Nota: la soglia di eccitazione dovrebbe essere raggiunta per innescare un potenziale d'azione); un eventuale stimolo in arrivo dovrebbe quindi essere più forte di uno normalmente sufficiente, cosa che per via anatomica naturale è quasi impossibile! Non esistono stimoli propri del corpo in grado di eccitare una cellula in questo stato di iperpolarizzazione.

Ciò assicura che una membrana non sia immediatamente rieccitabile e fa sì che il segnale elettrico sulla membrana possa essere trasmesso solo in una direzione (unidirezionale), lungo l'assone! Questo funge anche da protezione contro il feedback. Il potenziale d'azione deve essere, e viene, spinto in un'unica direzione.

Tutto questo avviene in tempi incredibilmente rapidi, circa 1-2 ms. Un nervo deve infatti essere nuovamente eccitabile il prima possibile per trasmettere altri segnali. E questo è possibile solo se sia il potenziale d'azione che l'iperpolarizzazione avvengono rapidamente!

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Crediti immagine di copertina

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