Come viaggiano i segnali nervosi

Un potenziale d'azione porta l'interno di un neurone da -70 mV a +30 mV e poi al valore iniziale in circa 2 millisecondi.

Una minuscola batteria ai due lati della membrana

Ogni neurone mantiene una piccola differenza elettrica ai due lati della membrana. Si misura all'interno rispetto all'esterno, in millivolt (mV). A riposo l'interno si trova a circa -70 mV. Questa condizione dipende da due fattori. Gli ioni sodio (Na+) sono circa dieci volte più concentrati fuori dalla cellula che dentro, mentre gli ioni potassio (K+) sono più concentrati all'interno. La pompa sodio-potassio mantiene queste differenze trasportando Na+ fuori e K+ dentro; poiché lavora contro i gradienti, consuma energia sotto forma di ATP. La membrana a riposo è come una batteria carica in attesa che si azioni un interruttore.

La soglia e il picco del tutto o nulla

Uno stimolo, come un neurotrasmettitore proveniente da un'altra cellula o una pressione su un recettore tattile, lascia entrare un po' di Na+ e l'interno diventa meno negativo. È la depolarizzazione. Se è lieve, si esaurisce. Se raggiunge circa -55 mV, il valore di soglia, si aprono numerosi canali del sodio voltaggio-dipendenti: Na+ entra rapidamente e l'interno sale a circa +30 mV. Poi si aprono i canali del potassio voltaggio-dipendenti, K+ esce e il potenziale di membrana scende. Per un attimo va sotto -70 mV, una breve iperpolarizzazione, prima di tornare a riposo. L'intero potenziale d'azione dura circa 2 millisecondi, e il passaggio da -70 a +30 corrisponde a una variazione di 100 mV, cioè 0.1 volt.

Per via della soglia, il potenziale d'azione segue la legge del tutto o nulla. Uno stimolo debole che non raggiunge -55 mV non produce alcun potenziale d'azione. Uno stimolo forte non ne produce uno più grande, perché tutti i potenziali d'azione raggiungono lo stesso picco di tensione. Uno stimolo più intenso fa invece partire i potenziali d'azione più spesso. Il sistema nervoso codifica quindi l'intensità attraverso la frequenza di attivazione del neurone, non attraverso l'altezza di ogni picco. Durante il periodo refrattario assoluto, lo stesso segmento di membrana non può avviare un altro potenziale d’azione. Questo periodo refrattario mantiene inoltre il segnale in un'unica direzione, verso le terminazioni assoniche.

Lungo l'assone, passo dopo passo o a salti

In un assone senza mielina, la depolarizzazione si propaga per un breve tratto, apre i canali del sodio successivi, si propaga ancora e così via. Questa conduzione continua è lenta. In un assone mielinizzato i canali del sodio voltaggio-dipendenti si trovano solo nei nodi di Ranvier. La carica si diffonde rapidamente sotto la mielina e il potenziale d'azione si rigenera in ogni nodo: sembra quindi saltare da un nodo all'altro. È la conduzione saltatoria, dal latino saltare. Anche gli assoni più larghi conducono più velocemente. Le fibre sottili senza mielina trasportano segnali a circa 0.5–2 metri al secondo; le fibre mielinizzate più spesse arrivano a circa 120 metri al secondo.

Attraversare lo spazio: la sinapsi

Alla fine dell'assone il segnale elettrico deve raggiungere un'altra cellula. Alcune sinapsi sono elettriche: le due cellule sono collegate in modo che gli ioni passino direttamente dall'una all'altra. La maggior parte è chimica. Quando un potenziale d'azione raggiunge il bottone sinaptico, si aprono i canali del calcio voltaggio-dipendenti e Ca2+ entra. Il calcio favorisce la fusione delle vescicole, piccoli sacchi pieni di neurotrasmettitore, con la membrana e il rilascio del contenuto nella fessura sinaptica, lo stretto spazio fra le cellule. Il neurotrasmettitore si diffonde attraverso la fessura e si lega ai recettori della cellula ricevente. Ogni recettore è adatto a un neurotrasmettitore, come una serratura alla sua chiave.

Il legame modifica il potenziale della membrana ricevente. Un potenziale postsinaptico eccitatorio lo avvicina alla soglia; uno inibitorio lo allontana. Un singolo segnale in arrivo raramente basta. I segnali di molte sinapsi, o più segnali in rapida successione da una sola sinapsi, si sommano nella zona d'innesco: il neurone successivo si attiva solo se il totale raggiunge la soglia. Infine il neurotrasmettitore viene rimosso, così il segnale può terminare: l'acetilcolina viene degradata dall'enzima acetilcolinesterasi, mentre amminoacidi come il glutammato vengono pompati di nuovo nei neuroni o nelle cellule gliali e riutilizzati. Secondo il NINDS, l'acetilcolina provoca la contrazione muscolare, il glutammato è un importante neurotrasmettitore eccitatorio e il GABA è inibitorio.

Questo è materiale didattico su come è fatto e come funziona il corpo. Non è un consiglio medico e non serve a diagnosticare o curare nessuno.