Il Potenziale di Membrana a Riposo e l'Innesco dei Potenziali d'Azione

Il Potenziale di Membrana a Riposo e l'Innesco dei Potenziali d'Azione

Il potenziale di membrana a riposo è la differenza di potenziale elettrico tra l'interno e l'esterno di una cellula nervosa in condizioni di non stimolazione, solitamente intorno a -70 mV. Questo stato di polarizzazione è dovuto alla distribuzione diseguale di ioni attraverso la membrana cellulare, mantenuta dalle pompe ioniche e dai canali ionici. Le variazioni del potenziale di membrana, come l'iperpolarizzazione (aumento della negatività) e la depolarizzazione (riduzione della negatività), sono fondamentali per la generazione dei segnali nervosi. Ad esempio, una depolarizzazione che porta il potenziale da -70 mV a -55 mV può innescare un potenziale d'azione. La manipolazione sperimentale del potenziale di membrana, attraverso l'iniezione di corrente elettrica, può indurre depolarizzazione o iperpolarizzazione, a seconda della direzione della corrente applicata. L'interno della cellula nervosa è tipicamente negativo rispetto all'esterno a causa dell'attività delle pompe Na+/K+ ATPasi e della permeabilità selettiva della membrana agli ioni.

La Risposta Elettrica Neuronale e il Potenziale d'Azione

L'iniezione di corrente in un neurone induce una risposta elettrica che può essere passiva o attiva. La risposta passiva si manifesta come una deflessione graduale del potenziale di membrana, mentre una risposta attiva, o potenziale d'azione, si verifica quando la depolarizzazione raggiunge un valore soglia critico. Il potenziale d'azione è un evento all-or-nothing caratterizzato da una rapida inversione della polarità della membrana (fase ascendente), seguita da una fase di ripolarizzazione che riporta il potenziale al valore di riposo, spesso con un'iperpolarizzazione transitoria (fase discendente). La forma e la durata del potenziale d'azione, tipicamente di 1-2 millisecondi, sono state dettagliatamente descritte dal modello di Hodgkin e Huxley, che hanno ricevuto il Premio Nobel per la Fisiologia o Medicina nel 1963 per i loro studi sulla conduzione nervosa.

Il Modello di Hodgkin e Huxley

Il modello di Hodgkin e Huxley descrive il potenziale d'azione attraverso un insieme di equazioni differenziali che rappresentano le variazioni dinamiche delle conduttanze ioniche in funzione del potenziale di membrana. Questo modello postula che le conduttanze per gli ioni sodio (Na+) e potassio (K+) sono voltaggio-dipendenti e che variazioni nel potenziale di membrana alterano la permeabilità della membrana a questi ioni. Durante un potenziale d'azione, l'aumento della conduttanza al Na+ consente l'ingresso di questi ioni nella cellula, causando la depolarizzazione, mentre l'aumento della conduttanza al K+ permette l'uscita di K+ dalla cellula, contribuendo alla ripolarizzazione. Queste dinamiche ioniche sono regolate da canali ionici specifici che si aprono e chiudono in risposta a cambiamenti del potenziale di membrana.

La Tecnica del Voltage Clamp e le Dinamiche Ioniche

La tecnica del voltage clamp è stata fondamentale per lo studio delle correnti ioniche durante il potenziale d'azione. Questo metodo consente di mantenere il potenziale di membrana a un valore prefissato e di misurare le correnti ioniche che attraversano la membrana in risposta a variazioni controllate del potenziale. Gli esperimenti con il voltage clamp hanno rivelato che durante la depolarizzazione si verifica un rapido ingresso di Na+ seguito da un'uscita più lenta di K+, corrispondenti alle fasi ascendente e discendente del potenziale d'azione. L'uso di bloccanti specifici dei canali ionici, come la tetradotossina (TTX) per i canali del Na+ e il tetraetilammonio (TEA) per i canali del K+, ha permesso di isolare e caratterizzare le correnti ioniche individuali, confermando le ipotesi del modello di Hodgkin e Huxley.

Il Potenziale di Soglia e la Propagazione del Segnale Nervoso

Il potenziale di soglia è il livello di depolarizzazione necessario per innescare un potenziale d'azione. Questo valore varia tra diversi tipi di cellule nervose e può essere influenzato da fattori come lo stato metabolico della cellula e la presenza di neurotrasmettitori. Il cono d'ingresso dell'assone, o monticolo assonico, è tipicamente la regione con il potenziale di soglia più basso, dove è più probabile che si generi un potenziale d'azione. Una volta innescato, il potenziale d'azione si propaga lungo l'assone senza decremento, trasmettendo il segnale nervoso a distanza. La propagazione è resa possibile dalla rigenerazione locale del potenziale d'azione lungo l'assone, un processo che dipende dall'attivazione sequenziale dei canali ionici voltaggio-dipendenti.