Curatore: Ichiji Tasaki
Eugene M. Izhikevich
Il processo di eccitazione e conduzione nelle fibre nervose mielinizzate dei vertebrati è caratterizzato da caratteristiche discontinue e saltatorie. Senza dubbio, queste caratteristiche distintive derivano dalle seguenti proprietà istologiche e fisiologiche di queste fibre nervose.
- La guaina mielinica che copre l’asse-cilindro di queste fibre nervose è interrotta più o meno regolarmente ad ogni nodo di Ranvier.
- Il flusso di corrente elettrica dentro e intorno a queste fibre nervose è limitato dall’isolamento dell’asse-cilindro con la guaina mielinica.
- Lo strato corticale dell’asse-cilindro al nodo di Ranvier è in grado di produrre potenziali d’azione in maniera totale o nulla in risposta al passaggio della corrente elettrica diretta verso l’esterno.
- Il potenziale d’azione prodotto in un nodo di Ranvier genera un impulso di forte corrente diretta verso l’esterno nei nodi vicini.
Contenuti
- 1 Guaina mielinica e nodi di Ranvier
- 2 Isolamento elettrico dell’asse-cilindro da parte della guaina mielinica
- 3 Flusso capacitivo di corrente attraverso la guaina mielinica
- 4 Corrente interna associata all’eccitazione di un nodo di Ranvier
- 5 Produzione di tutti onessuno da un singolo nodo di Ranvier
- 6 Margine di sicurezza nella conduzione nervosa
- 7 Conduzione saltatoria – Un racconto storico
- 8 Riferimenti
- 9 Vedi anche
Guaina mielinica e nodi di Ranvier
Isolamento elettrico dell’asse-cilindro da parte della guaina mielinica
Nel 1934, poco dopo lo sviluppo della tecnica di isolamento chirurgico di una fibra nervosa motoria che innerva il muscolo gastrocnemio del rospo nel laboratorio di G. Kato, M. Kubo e S. Ono hanno fatto una scoperta che indica che la guaina mielinica esercita una forte influenza sull’efficacia di un impulso di corrente stimolante.
Misurando le intensità di soglia degli impulsi di corrente consegnati a una fibra nervosa che galleggia in una piscina poco profonda di soluzione salina per mezzo di un elettrodo a pipetta, si è scoperto che la soglia raggiunge un minimo netto quando il catodo stimolante è posto vicino a uno dei nodi e un massimo netto quando la punta dell’elettrodo è nel punto a metà strada tra due nodi vicini. Dall’analisi approfondita di questo e dei successivi risultati sperimentali, si deducono le seguenti conclusioni.
- La resistenza ohmica della guaina mielinica è molto alta.
- Il processo di eccitazione è suscitato da una fibra nervosa da un flusso di corrente verso l’esterno al nodo.
Flusso capacitivo di corrente attraverso la guaina mielinica
Poco prima della seconda guerra mondiale, è stato trovato possibile registrare le correnti d’azione derivate da un breve segmento di una fibra nervosa dividendo la soluzione salina circostante in piscine indipendenti per mezzo di strette intercapedini. (Vedi Figura 2.)
La registrazione di sinistra nella figura mostra l’andamento temporale della corrente che attraversa una breve regione mielinizzata di una fibra nervosa nel momento in cui un impulso sta passando attraverso la regione. Si noti che l’intervallo tra i due picchi della corrente transitoria verso l’esterno coincide con il tempo di conduzione internodale (~2mm / 20mm per msec). Evidentemente, questi due picchi sono prodotti dal flusso capacitivo di corrente attraverso la guaina mielinica in associazione con l’inizio di un potenziale d’azione al nodo \(N_{1}\) e al \(N_{2}\ nel diagramma superiore. Da questo e da altri esperimenti correlati, si conclude che la guaina mielinica si comporta come un semplice condensatore elettrico con un’alta resistenza parallela.
Corrente interna associata all’eccitazione di un nodo di Ranvier
La figura 2, a destra, mostra l’andamento temporale della corrente d’azione che attraversa la superficie di una breve porzione di una fibra nervosa che include un nodo di Ranvier (\(N_{1})). È stato registrato nel momento in cui un impulso sta attraversando la porzione. Evidentemente, la prima deflessione verso l’alto rappresenta la corrente diretta verso l’esterno associata allo sviluppo di un potenziale d’azione nel nodo prossimale (\(N_{0}\)).
Esaminando l’effetto di una soluzione anestetizzante aggiunta al pool distale e al pool centrale di soluzione salina, è stato dimostrato che la forte deflessione verso il basso rappresenta la corrente diretta verso l’interno iniziata dall’inizio di un potenziale d’azione al nodo centrale (\(N_{1})) e terminata dall’inizio di un potenziale d’azione al nodo distale (\(N_{2}).
Produzione di potenziali d’azione tutti o nessuno da parte di un singolo nodo di Ranvier
I potenziali d’azione sviluppati da un singolo nodo di Ranvier possono essere registrati collegando la porzione distale di una fibra nervosa isolata ad un amplificatore con un’alta impedenza di ingresso, seguito dall’anestetizzazione di tutti i nodi sul lato prossimale del nodo in studio. (Vedi Figura 3.)
Qui, le risposte elettriche sono suscitate dal nodo \(N_{1}}) fornendo brevi impulsi di tensione tra il pool di soluzione fisiologica normale (in cui \(N_{1})è immerso) e la porzione prossimale della fibra (separata dal pool contenente soluzione fisiologica normale da uno stretto vuoto d’aria). I potenziali d’azione osservati sono circa 110 mV in ampiezza e hanno una brusca fase ascendente e una fase discendente graduale, seguita infine da una caduta leggermente accelerata del potenziale alla fine. Si noti che i potenziali d’azione completi sono prodotti in un modo tutto-o-niente quando il potenziale all’interno del nodo è sollevato al livello di soglia (circa 20 mV nel caso presente) dagli impulsi applicati.
Margine di sicurezza nella conduzione nervosa
La produzione di un potenziale d’azione in un nodo di una fibra nervosa è accompagnata da un flusso di corrente che circola localmente tra il nodo eccitato e il vicino nodo a riposo. È stato dimostrato ripetutamente che la corrente verso l’esterno generata nel nodo vicino è molto più intensa del livello necessario per eccitare un nodo nel suo stato di riposo. In altre parole, il processo di ristimolazione successiva dei nodi da parte della corrente locale (Strömchen, Hermann, 1879) procede con un notevole margine di sicurezza. Va ricordato a questo proposito che il flusso capacitivo della corrente attraverso la guaina mielinica impone uno stretto limite inferiore al tempo necessario al processo di eccitazione (cioè il brusco cambiamento della f.e.m.) per saltare da un nodo al successivo.
Conduzione saltatoria – Un racconto storico
Nell’inverno del 1938, l’autore (I. Tasaki) stava portando avanti lo studio dell’effetto degli anestetici su singole fibre nervose isolate presso il laboratorio fisiologico dell’Università Keio di Tokyo. A quel tempo, sulla base di precedenti esperimenti su singole fibre nervose con la tecnica della stimolazione tripolare, c’erano ampie prove che indicavano che la fibra nervosa è elettricamente isolata dalla guaina mielinica e anche che un impulso nervoso propagante è generato da un flusso di corrente verso l’esterno attraverso la superficie non isolata dell’asse-cilindro ai nodi di Ranvier.
Una sera, l’autore decise di esaminare l’effetto di una soluzione di cocaina-Ringer 3 mM applicata a una breve porzione – compreso un singolo nodo di Ranvier – di una preparazione di fibra nervosa motoria-gastrocnemio. Per testare l’eccitabilità del nodo prima e dopo l’applicazione dell’anestetico, è stata adottata la tecnica della stimolazione tripolare come fatto in precedenza.
Immediatamente dopo l’applicazione della soluzione di cocaina-Ringer al singolo nodo, è stato dimostrato che la concentrazione di cocaina utilizzata era abbastanza alta da rendere il nodo in studio completamente non eccitabile. Quando fu testato l’effetto di una scossa stimolante applicata alla fibra nervosa, si notò sorprendentemente, con grande eccitazione, che nessun blocco della conduzione era provocato dalla soluzione anestetizzante. Cioè, un impulso nervoso evocato nella porzione prossimale della fibra è stato condotto attraverso un nodo totalmente non eccitabile alla porzione distale della fibra. La seguente domanda intrigante sorse subito: come può un impulso nervoso viaggiare attraverso una regione non eccitabile di una fibra nervosa?
In quei giorni, la maggior parte dei fisiologi accettava l’ipotesi che gli impulsi nervosi viaggiassero continuamente all’interno dell’asse-cilindro. Quando il sorprendente fatto sperimentale di cui sopra è stato portato alla luce, è diventato immediatamente chiaro che la validità di questa vecchia ipotesi ampiamente accettata doveva essere messa in discussione.
L’ulteriore sperimentazione ha rivelato i seguenti fatti:
- Qualsiasi lesione meccanica o osmotica inflitta alla regione anestetizzata blocca immediatamente la conduzione nervosa attraverso la regione.
- L’applicazione della soluzione anestetizzante esclusivamente al segmento mielinizzato di una fibra nervosa non produce alcun cambiamento significativo nell’eccitabilità della fibra.
- Quando una porzione della fibra che include due nodi successivi è anestetizzata, il blocco della conduzione avviene occasionalmente.
- Quando tre o più nodi sono inclusi nella regione fortemente anestetizzata, non si può osservare alcuna conduzione di impulsi nervosi attraverso la regione.
Non è stato difficile ottenere una ragionevole comprensione di tutti questi risultati sperimentali. Poco prima che questi esperimenti fossero eseguiti, A. L. Hodgkin (1937) esaminò il meccanismo del blocco della conduzione indotto dalla compressione meccanica del nervo sciatico della rana (tronco) e spiegò i risultati ottenuti sulla base della teoria della corrente locale di Hermann. Si è visto da questo che la teoria di Hermann offre una spiegazione del tutto soddisfacente di tutti i risultati sperimentali di cui sopra. La spiegazione sostenuta è la seguente.
“Un potenziale d’azione prodotto dal nodo immerso nella soluzione di Ringer normale genera un flusso di corrente diretto verso l’esterno ai nodi vicini. Questa corrente è così forte che, anche dopo aver subito una progressiva attenuazione nella regione anestetizzata che comprende uno o due nodi, è ancora in grado di eccitare il primo nodo normale sul lato distale della regione anestetizzata. Il blocco della conduzione avviene quando la corrente in uscita dal nodo normale prossimale diventa sottosoglia per il nodo sul lato distale della regione anestetizzata”.
In effetti, misurando le intensità di soglia delle scosse elettriche di prova applicate al nodo distale, è stato decisamente dimostrato che la corrente attesa appena sottosoglia attraversa il nodo distale quando il blocco di conduzione ha effettivamente luogo. Inoltre, è stato dimostrato che la soluzione salina all’esterno della fibra nervosa è direttamente coinvolta come via della corrente nel processo di ristimolazione dei nodi successivi. Il manoscritto che descriveva tutte queste prime osservazioni sulla conduzione saltatoria fu inviato negli Stati Uniti e fu pubblicato sull’American Journal of Physiology nel 1939.
Negli anni seguenti, l’autore ripeté, confermò ed estese queste prime osservazioni registrando le correnti d’azione di singole fibre nervose isolate con un oscilloscopio a raggi catodici che l’autore stesso costruì. Quando arrivò il momento di pubblicare i nuovi risultati, si dovette superare una nuova difficoltà derivante dalla situazione mondiale inquieta di quel periodo. Poiché divenne impossibile cercare la pubblicazione del nuovo materiale negli Stati Uniti, i primi due manoscritti (scritti in tedesco) dovettero essere inviati a Francoforte, in Germania, attraverso la ferrovia siberiana. Quando la via siberiana divenne indisponibile nel 1941, i manoscritti furono inviati a Francoforte in sottomarino attraverso il Sud America.
Figura 4: Dr. Ichiji Tasaki. Foto scattata nel 1954, in un momento cruciale della sua carriera.
Molto tempo dopo la fine della guerra, si è scoperto che tutti i manoscritti inviati in Germania erano stati accettati e pubblicati dal Pflügers Archiv. Più o meno in quel periodo, a Tokyo si ricevette la notizia che nuovi esperimenti erano stati condotti sulla conduzione saltatoria da A.F.Huxley e R.Stämpfli.
Molto più tardi, qui al National Institutes of Health, i valori assoluti della resistenza e della capacità della guaina mielinica e di altre parti della fibra nervosa furono misurati con un metodo ragionevolmente affidabile (1955). Inoltre, l’andamento temporale del potenziale d’azione sviluppato da un singolo nodo di Ranvier poteva essere determinato con discreta precisione (1956). Questi dati furono trovati per formare una base di analisi quantitativa del fenomeno della conduzione saltatoria nelle fibre nervose mielinizzate (cfr. Tasaki, 1982).
Ranvier, L. (1871) Contribution á l’histologie et á la physiologie des nerfs périphériques. C. R. 73, 1168-1171.
Hermann, L. (1879) Handbuch der Physiologie., Theil 1. 1-196, Vogel, Leibzig.
Kato, G. (1934) Microphysiology of Nerve, Maruzen, Tokyo.
Tasaki, I. (1939) Am. J. Physiol. 127: 211-227.
Tasaki, I., and Takeuchi, T, (1941) Pflügers Arch ges. Physiol. 244: 696-711; e (1942) 245; 764-782.
Huxley, A. F., e Stämpfli, R. (1949) J. Physiol. 108: 315-339.
Hodgkin, A. L. (1937) J. Physiol. 90: 183 – 232.
Tasaki, I. (1982) Physiology and Electrochemistry of Nerve Fibers, Academic Press,New York.
Vedi anche
Elettrofisiologia, Neurone, Eccitabilità neuronale