Fisica

Le correnti elettriche nel sistema molto complesso di miliardi di nervi nel nostro corpo ci permettono di percepire il mondo, controllare parti del nostro corpo e pensare. Questi sono rappresentativi delle tre principali funzioni dei nervi. In primo luogo, i nervi portano messaggi dai nostri organi sensoriali e altri al sistema nervoso centrale, costituito dal cervello e dal midollo spinale. In secondo luogo, i nervi trasportano messaggi dal sistema nervoso centrale ai muscoli e ad altri organi. In terzo luogo, i nervi trasmettono ed elaborano i segnali all’interno del sistema nervoso centrale. L’enorme numero di cellule nervose e il numero incredibilmente maggiore di connessioni tra loro rende questo sistema la sottile meraviglia che sia. La conduzione nervosa è un termine generale per i segnali elettrici trasportati dalle cellule nervose. È un aspetto della bioelettricità, o effetti elettrici e creati dai sistemi biologici. Le cellule nervose, chiamate correttamente neuroni, hanno un aspetto diverso dalle altre cellule: hanno viticci, alcuni dei quali lunghi molti centimetri, che li collegano con altre cellule. (Vedi Figura 1.) I segnali arrivano al corpo cellulare attraverso le sinapsi o attraverso i dendriti, stimolando il neurone a generare il proprio segnale, inviato lungo il suo lungo assone ad altre cellule nervose o muscolari. I segnali possono arrivare da molti altri luoghi e essere trasmessi ad altri ancora, condizionando le sinapsi per uso, dando al sistema la sua complessità e la sua capacità di imparare.

Figura 1. Un neurone con i suoi dendriti e l’assone lungo. I segnali sotto forma di correnti elettriche raggiungono il corpo cellulare attraverso i dendriti e attraverso le sinapsi, stimolando il neurone a generare il proprio segnale inviato lungo l’assone. Il numero di interconnessioni può essere molto maggiore di quello mostrato qui.

Il metodo con cui queste correnti elettriche vengono generate e trasmesse è più complesso del semplice movimento di cariche libere in un conduttore, ma può essere compreso con principi già discussi in questo testo. I più importanti di questi sono la forza di Coulomb e la diffusione. La figura 2 illustra come una tensione (differenza di potenziale) viene creata attraverso la membrana cellulare di un neurone nel suo stato di riposo. Questa sottile membrana separa fluidi elettricamente neutri con diverse concentrazioni di ioni, le varietà più importanti sono Na+, K + e Cl – (questi sono ioni sodio, potassio e cloro con cariche singole più o meno come indicato). Come discusso in Fenomeni di trasporto molecolare: diffusione, osmosi e processi correlati, gli ioni liberi si diffonderanno da una regione di alta concentrazione a una di bassa concentrazione. Ma la membrana cellulare è semipermeabile, il che significa che alcuni ioni possono attraversarlo mentre altri non possono. Nel suo stato di riposo, la membrana cellulare è permeabile a K + e Cl-e impermeabile a Na+. La diffusione di K + e Cl-crea così gli strati di carica positiva e negativa all’esterno e all’interno della membrana. La forza di Coulomb impedisce agli ioni di diffondersi nella loro interezza. Una volta che lo strato di carica si è accumulato, la repulsione di cariche simili impedisce a più di muoversi e l’attrazione di cariche diverse impedisce a più di lasciare entrambi i lati. Il risultato sono due strati di carica direttamente sulla membrana, con la diffusione bilanciata dalla forza di Coulomb. Una piccola frazione delle cariche si muove attraverso e i fluidi rimangono neutri (altri ioni sono presenti), mentre una separazione di carica e una tensione sono stati creati attraverso la membrana.

Figura 2. La membrana semipermeabile di una cellula ha diverse concentrazioni di ioni dentro e fuori. La diffusione sposta gli ioni K + e Cl nella direzione mostrata, fino a quando la forza di Coulomb arresta ulteriormente il trasferimento. Ciò si traduce in uno strato di carica positiva all’esterno, uno strato di carica negativa all’interno e quindi una tensione attraverso la membrana cellulare. La membrana è normalmente impermeabile a Na+.

Figura 3. Un potenziale d’azione è l’impulso di tensione all’interno di una cellula nervosa graficamente qui. È causato da movimenti di ioni attraverso la membrana cellulare come mostrato. La depolarizzazione si verifica quando uno stimolo rende la membrana permeabile agli ioni Na+. Ripolarizzazione segue come la membrana diventa nuovamente impermeabile a Na+, e K + si muove da alta a bassa concentrazione. A lungo termine, il trasporto attivo mantiene lentamente le differenze di concentrazione, ma la cellula può sparare centinaia di volte in rapida successione senza esaurirle seriamente.

La separazione della carica crea una differenza di potenziale da 70 a 90 mV attraverso la membrana cellulare. Mentre questa è una piccola tensione, il campo elettrico risultante (E = V/d) attraverso l’unica membrana spessa 8 nm è immenso (dell’ordine di 11 MV/m!) e ha effetti fondamentali sulla sua struttura e permeabilità. Ora, se l’esterno di un neurone è considerato a 0 V, allora l’interno ha un potenziale di riposo di circa -90 mV. Tali tensioni sono create attraverso le membrane di quasi tutti i tipi di cellule animali, ma sono più grandi nelle cellule nervose e muscolari. Infatti, completamente il 25% dell’energia utilizzata dalle cellule va verso la creazione e il mantenimento di questi potenziali.

Le correnti elettriche lungo la membrana cellulare sono create da qualsiasi stimolo che modifica la permeabilità della membrana. La membrana diventa così temporaneamente permeabile a Na+, che poi si precipita dentro, guidato sia dalla diffusione che dalla forza di Coulomb. Questo afflusso di Na + prima neutralizza la membrana interna, o la depolarizza, e quindi la rende leggermente positiva. La depolarizzazione fa sì che la membrana diventi nuovamente impermeabile a Na + e il movimento di K+ restituisce rapidamente la cellula al suo potenziale di riposo o la ripolarizza. Questa sequenza di eventi provoca un impulso di tensione, chiamato potenziale d’azione. (Vedi Figura 3.) Solo piccole frazioni degli ioni si muovono, in modo che la cellula possa sparare molte centinaia di volte senza esaurire le concentrazioni in eccesso di Na+ e K+. Alla fine, la cellula deve ricostituire questi ioni per mantenere le differenze di concentrazione che creano bioelettricità. Questa pompa sodio-potassio è un esempio di trasporto attivo, in cui l’energia cellulare viene utilizzata per spostare gli ioni attraverso le membrane contro i gradienti di diffusione e la forza di Coulomb.

Il potenziale d’azione è un impulso di tensione in una posizione su una membrana cellulare. Come viene trasmesso lungo la membrana cellulare, e in particolare lungo un assone, come impulso nervoso? La risposta è che la tensione variabile e i campi elettrici influenzano la permeabilità della membrana cellulare adiacente, in modo che lo stesso processo avvenga lì. La membrana adiacente depolarizza, interessando la membrana più in basso, e così via, come illustrato nella Figura 4. Così il potenziale d’azione stimolato in una posizione innesca un impulso nervoso che si muove lentamente (circa 1 m/s) lungo la membrana cellulare.

Figura 4. Un impulso nervoso è la propagazione di un potenziale d’azione lungo una membrana cellulare. Uno stimolo provoca un potenziale d’azione in una posizione, che cambia la permeabilità della membrana adiacente, causando un potenziale d’azione lì. Questo a sua volta colpisce la membrana più in basso, in modo che il potenziale d’azione si muova lentamente (in termini elettrici) lungo la membrana cellulare. Sebbene l’impulso sia dovuto a Na + e K + che attraversano la membrana, è equivalente a un’onda di carica che si muove lungo l’esterno e l’interno della membrana.

Alcuni assoni, come quello in Figura 1, sono rivestiti con mielina, costituito da cellule contenenti grassi. La figura 5 mostra una vista ingrandita di un assone con guaine mieliniche tipicamente separate da lacune non mielinizzate (chiamate nodi di Ranvier). Questa disposizione conferisce all’assone una serie di proprietà interessanti. Poiché la mielina è un isolante, impedisce ai segnali di saltare tra i nervi adiacenti (cross talk). Inoltre, le regioni mielinizzate trasmettono segnali elettrici ad una velocità molto elevata, come farebbe un normale conduttore o resistore. Non vi è alcun potenziale d’azione nelle regioni mielinizzate, quindi non viene utilizzata alcuna energia cellulare in esse. C’è una perdita di segnale IR nella mielina, ma il segnale viene rigenerato nelle lacune, dove l’impulso di tensione innesca il potenziale d’azione a piena tensione. Quindi un assone mielinizzato trasmette un impulso nervoso più velocemente, con meno consumo di energia, ed è meglio protetto dal cross talk di uno non mielinizzato. Non tutti gli assoni sono mielinizzati, quindi il cross talk e la trasmissione lenta del segnale sono una caratteristica del normale funzionamento di questi assoni, un’altra variabile nel sistema nervoso.

La degenerazione o la distruzione delle guaine mieliniche che circondano le fibre nervose compromette la trasmissione del segnale e può portare a numerosi effetti neurologici. Una delle più importanti di queste malattie proviene dal sistema immunitario del corpo che attacca la mielina nel sistema nervoso centrale-sclerosi multipla. I sintomi della SM includono affaticamento, problemi di vista, debolezza di braccia e gambe, perdita di equilibrio e formicolio o intorpidimento delle estremità (neuropatia). È più adatto a colpire gli adulti più giovani, specialmente le femmine. Le cause potrebbero provenire da infezioni, influenze ambientali o geografiche o genetica. Al momento non esiste una cura nota per MS.

La maggior parte delle cellule animali può sparare o creare il proprio potenziale d’azione. Le cellule muscolari si contraggono quando sparano e sono spesso indotte a farlo da un impulso nervoso. Infatti, le cellule nervose e muscolari sono fisiologicamente simili, e ci sono anche cellule ibride, come nel cuore, che hanno caratteristiche sia dei nervi che dei muscoli. Alcuni animali, come la famigerata anguilla elettrica (vedi Figura 6), usano muscoli legati in modo che le loro tensioni si sommino per creare uno shock abbastanza grande da stordire la preda.

Figura 5. Propagazione di un impulso nervoso lungo un assone mielinizzato, da sinistra a destra. Il segnale viaggia molto veloce e senza input di energia nelle regioni mielinizzate, ma perde tensione. Si rigenera negli spazi vuoti. Il segnale si muove più velocemente che negli assoni non mielinizzati ed è isolato dai segnali in altri nervi, limitando il cross talk.

Figura 6. Un’anguilla elettrica flette i muscoli per creare una tensione che stordisce la preda. (credito: chrisbb, Flickr)