Corso di italiano per conoscere scoperte recenti relative al corpo umano.

Quando membrane, proteine e sali creano elettricità.

di Elia Magrinelli

Le cellule neuronali o neuroni costituiscono le unità fondamentali del sistema nervoso. L’intero funzionamento di questo sistema incredibilmente complesso si basa su una caratteristica peculiare di queste cellule, quella di essere eccitabili. Nell’immaginario comune l’attività nervosa viene associata all’invio di segnali elettrici e questa immagine, seppur riduttiva, è corretta. Come per i computer, la trasmissione del segnale attraverso l’elettricità è rapida, precisa e facilmente controllabile. Un segnale nervoso può iniziare, avere luogo e terminare nell’arco di millisecondi viaggiando anche per lunghe distanze. Per avere un’idea della velocità dei segnali nervosi proviamo a considerare un’attività sportiva, ad esempio il ping pong. I professionisti di questo sport riescono a imprimere velocità iniziali alla palla che raggiungono anche i 90 km/h. Considerando una distanza di 5 metri tra i due giocatori, la palla impiegherà 200 msec (1/5 di secondo) circa a raggiungere l’avversario. In questo breve tempo, il giocatore avrà osservato la traiettoria iniziale della palla, estrapolato il suo percorso, calcolato come muovere la racchetta in modo che questa incontri la traiettoria della palla per poterla respingere, inviato i comandi ai muscoli del corpo e risposto cosi all’attacco avversario! Altrettanta coordinazione e velocità consentono per esempio a un predatore di catturare la sua preda o, al contrario, alla preda di reagire fuggendo dal pericolo o difendendosi dall’attacco. In entrambe queste situazioni la rapidità rappresenta il fattore determinante per il successo di preda o predatore e la posta in gioco è davvero molto alta: la vita. In questo articolo introdurremo le nozioni fondamentali sulla struttura e il funzionamento dei neuroni, caratteristiche condivise dal sistema nervoso di molti organismi, dal più semplice, al più complesso. Infine descriveremo brevemente le metodologie più utilizzate per valutare e studiare l’attività dei neuroni.

Dai dendriti agli assoni, da un neurone all’altro.

Un aspetto molto importante dei neuroni è la loro forma, o meglio, le loro forme. Queste cellule dal punto di vista morfologico sono estremamente eterogenee e questa caratteristica è strettamente legata alla loro funzione. Il primo a descrivere le diverse tipologie di neuroni fu Santiago Ramón Y Cajal (1852 – 1934), medico, istologo e patologo spagnolo, vincitore del premio Nobel per la medicina nel 1906 insieme a Camillo Golgi (1843 - 1926), professore d'istologia e patologia all'università di Pavia. Gli studi di Cajal furono resi possibili dalla collaborazione con Golgi, il quale, nel suo piccolo laboratorio di Abbiategrasso, nell’intento di trovare il metodo ottimale per studiare la complicata istologia del sistema nervoso, mise a punto la colorazione cromo-argentea, oggi chiamata reazione di Golgi. Questa colorazione rappresenta il primo metodo in grado di rendere visibile l’intera morfologia dei neuroni anche nelle loro componenti più minute, ed è tutt’ora utilizzato .Ramon Y Cajal, grazie a questa collaborazione, riuscì a descrivere con molta precisione la morfologia di svariati tipi di neuroni in tutto il sistema nervoso . Per i suoi contributi pionieristici, che hanno posto le basi gli studi e le scoperte successive, Cajal è considerato uno dei padri della neurobiologia.

In un neurone si possono distinguere tre parti principali: i dendriti, il soma e l’ assone (Figura 1). I dendriti sono dei prolungamenti estremamente ramificati che si allargano in più direzioni dal soma , il corpo principale della cellula. Il numero e la forma dei dendriti cambia a seconda del tipo di neurone , ma la loro funzione principale è sempre la stessa: ricevere i segnali provenienti da altri neuroni. Il soma contiene il nucleo della cellula ed è la parte del neurone dalla quale si diramano tutti i dendriti e gli assoni: tutti i segnali raccolti dai vari dendriti arrivano al soma e qui si combinano per generare un solo risultato finale. Dal corpo cellulare emerge anche l’ assone , che costituisce un’ altra estroflessione della membrana , ramificato però solamente alla sua terminazione . Rispetto ai dendriti inoltre l’ assone è molto più sottile, è normalmente presente in una sola copia per neurone e ha la funzione di inviare i segnali elettrici ad altri neuroni, anzichè riceverli. Un’altra caratteristica che differenzia i dendriti dagli assoni è la lunghezza: mentre i dendriti hanno lunghezze limitate, gli assoni possono raggiungere lunghezze notevoli (basta pensare che un singolo assone può percorrere tutta la lunghezza della gamba, per portare informazioni dalla spina dorsale al piede, e viceversa).

I neuroni sono sostenuti a livello energetico dalle cellule gliali che costituiscono parte integrante del sistema nervoso assolvendo funzioni essenziali. Un tipo particolare di cellule gliali , per esempio, avvolge gli assoni, proteggendoli e facilitando la trasmissione dei segnali. Il ruolo di queste cellule è fondamentale per il corretto funzionamento del sistema nervoso, tuttavia questo articolo si concentrerà solamente sulla funzione dei neuroni .

Potenziali di membrana e potenziali d’azione

Come riescono le cellule a formare dei circuiti che generano elettricità? Probabilmente molti di voi conoscono il funzionamento dei circuiti elettrici artificiali, formati per esempio da un generatore di potenziale, come una batteria elettrica, da cavi metallici attraverso i quali scorre l’elettricità (sotto forma di elettroni ) e magari da qualche resistenza, ad esempio una lampadina. Quali sono le differenze e le somiglianze tra i circuiti artificiali e i circuiti neuronali?

Ogni cellula, neuroni inclusi, distingue il suo spazio interno da quello esterno attraverso una membrana di lipidi . Questa barriera, detta membrana cellulare, blocca il passaggio di moltissime molecole ; solamente l’acqua e poche piccole molecole prive di carica elettrica riescono ad attraversarla passivamente gli spazi acquosi all’interno e all’esterno della membrana cellulare sono costituiti da soluzioni che contengono diverse molecole , tra le quali diversi sali nella forma di ioni carichi. Gli ioni sono estremamente solubili in acqua, ma incapaci di attraversare la barriera di lipidi per via della loro carica elettrica.

Il comune sale da cucina per esempio, il cloruro di sodio (NaCl), è costituito da due ioni , uno di sodio(Na+) ed uno di cloro (Cl-), che si separano in soluzione acquosa. Questi ioni possiedono una carica elettrica in grado di attrarre o respingere altri ioni circostanti, influenzando quindi la disposizione di altre molecole cariche . Questo avviene anche tra l’interno e l’esterno dei neuroni dove il movimento degli ioni è influenzato dalle loro reciproche concentrazioni in soluzione e dalla somma totale delle cariche: l’insieme di questi due parametri è chiamato potenziale elettrochimico, concetto che è stato teorizzato e dimostrato all’inizio del ‘900 da Walther Nernst e David E. Goldman .

In situazioni di riposo gli ioni più concentrati all’interno e all’esterno di un neurone sono rispettivamente il potassio (K+) e il Na+. Poiché la membrana cellulare dei neuroni è normalmente più permeabile al K+, questo, diffondendo passivamente, tende a uscire dalla cellula. Questo fenomeno crea un accumulo di cariche positive all’esterno e modifica la differenza di voltaggio in prossimità della membrana , ovvero la differenza tra le cariche da una e dall’altra parte della membrana (Figura 2). Quando una cellula è al suo punto di equilibrio elettrochimico non si verificano correnti nette tra l’interno e l’esterno della cellula. Quando si modifica la permeabilità a un certo tipo di ione, questo si muove secondo il suo gradiente elettrochimico, creando una corrente netta e modificando il potenziale della membrana fino alla nuova situazione di equilibrio (Figura 2). Potete osservare questo principio in azione tramite un semplice programma gratuito creato dall’Università dell’Arizona (http://www.nernstgoldman.physiology.arizona.edu/launch/). La “batteria elettrica” della cellula non è quindi nient’altro che la differenza di potenziale tra l’interno e l’esterno della membrana cellulare.

Consideriamo ora due compartimenti nei quali vi sono diverse concentrazioni di ioni Na+. Senza nulla che mantenga la separazione delle cariche, ovvero senza che la membrana impedisca il libero passaggio degli ioni , le cariche positive Na+ migrano dalla zona più concentrata, l’esterno della cellula, alla zona meno concentrata, l’interno, creando così un passaggio di corrente (quello che succede quando chiudiamo un circuito elettrico con un interruttore). La membrana cellulare non permette liberamente questo passaggio, poichè ha normalmente una bassa permeabilità agli ioni .Quando un neurone si attiva, quello che avviene è un’aumento della permeabilità allo ione Na+, che è così libero di attraversare la membrana cellulare entrando nel neurone e aumentandone la carica positiva interna, ovvero depolarizzandolo (Figura 2). Questa aumentata, temporanea permeabilità della membrana , che permette il fluire dall’esterno all’interno gli ioni Na+ genera il potenziale d’azione.