6.1 Trasmissione sinaptica in un semplice circuito riflesso
Uno dei più semplici comportamenti mediati dal sistema nervoso centrale è il riflesso di ginocchio o di stiramento. In risposta al martello di un neurologo sul tendine della rotula, c’è un’estensione riflessa della gamba. La Figura 6.1 illustra il neurocircuito che controlla questa risposta riflessa. Lo stiramento del tendine della rotula allunga il muscolo estensore. Più specificamente, stira un gruppo di recettori specifici conosciuti come recettori del fuso muscolare o semplicemente recettori dello stiramento.
Figura 6.1
Lo stiramento provoca potenziali d’azione nei recettori dello stiramento che poi si propagano su fibre afferenti di tipo 1A, i cui somata sono situati nel ganglio della radice dorsale. I processi di questi neuroni sensoriali entrano poi nel midollo spinale e creano connessioni sinaptiche con due tipi di cellule. In primo luogo, si forma una connessione sinaptica con il motoneurone estensore situato nel corno ventrale del midollo spinale. Come risultato dell’attivazione sinaptica di questo motoneurone, i potenziali d’azione sono suscitati nel motoneurone e si propagano dalle radici ventrali, invadendo infine le regioni terminali dell’assone motore (cioè la giunzione neuromuscolare), causando il rilascio di acetilcolina, la depolarizzazione della cellula muscolare, la formazione di un potenziale d’azione nella cellula muscolare e una successiva contrazione del muscolo.
I neuroni sensoriali fanno anche connessioni sinaptiche con un altro tipo di neurone nel midollo spinale chiamato interneurone. Gli interneuroni sono così chiamati perché si interpongono tra un tipo di neurone e un altro. Il particolare interneurone mostrato è un interneurone inibitorio. Come risultato della sua attivazione attraverso il processo di trasmissione sinaptica, nell’interneurone vengono generati potenziali d’azione. Un potenziale d’azione nel neurone inibitorio porta al rilascio di una sostanza chimica trasmettitrice che inibisce il motoneurone flessore, impedendo così che si verifichi un movimento improprio. Questo particolare riflesso è noto come il riflesso di stiramento monosinaptico perché questo riflesso è mediato da un singolo relè sinaptico eccitatorio nel sistema nervoso centrale.
6.2 Meccanismi ionici degli EPSP
Potenziali sinaptici
Figura 6.2
La figura a destra illustra come sia possibile esaminare sperimentalmente alcuni dei componenti della trasmissione sinaptica nella via riflessa che media il riflesso da stiramento. Normalmente, il neurone sensoriale è attivato da un tratto al recettore di tratto, ma questo processo può essere bypassato iniettando una corrente depolarizzante nel neurone sensoriale. Questo stimolo avvia un potenziale d’azione nel neurone sensoriale che porta a un cambiamento nel potenziale del neurone motore. Questo potenziale è noto come un potenziale postsinaptico eccitatorio (EPSP); eccitatorio perché tende a depolarizzare la cellula, tendendo così ad aumentare la probabilità di innescare un potenziale d’azione nel neurone motore e postsinaptico perché è un potenziale registrato sul lato postsinaptico della sinapsi.
I meccanismi ionici per l’EPSP nel motoneurone spinale sono essenzialmente identici ai meccanismi ionici per l’EPSP alla giunzione neuromuscolare. In particolare, la sostanza trasmittente si diffonde attraverso la fessura sinaptica e si lega a specifici recettori ionotropi sulla membrana postsinaptica, portando a un aumento simultaneo della permeabilità al sodio e al potassio (Vedi Figura 4.10). Anche i meccanismi di rilascio sono identici a quelli della giunzione neuromuscolare. Un potenziale d’azione nel terminale presinaptico porta all’apertura dei canali Ca2+ dipendenti dal voltaggio, e l’afflusso di Ca2+ provoca il rilascio della sostanza trasmittente.
6.3 Differenze tra l’EPSP alla giunzione neuromuscolare scheletrica e gli EPSP nel SNC
Ci sono due differenze fondamentali tra il processo di trasmissione sinaptica alla sinapsi sensorimotoria nel midollo spinale e il processo di trasmissione sinaptica alla giunzione neuromuscolare. In primo luogo, la sostanza trasmittente rilasciata dal neurone sensoriale non è l’ACh, ma l’aminoacido glutammato. In effetti, ci sono molti trasmettitori diversi nel sistema nervoso centrale – fino a 50 o più e la lista cresce ogni anno. Fortunatamente, queste 50 o più sostanze trasmettitrici possono essere convenientemente raggruppate in quattro categorie di base: acetilcolina, monoammine, peptidi e gli aminoacidi. In secondo luogo, in contrasto con l’ampiezza di 50 mV del potenziale sinaptico alla giunzione neuromuscolare, l’ampiezza del potenziale sinaptico in un motoneurone spinale, come risultato di un potenziale d’azione in una fibra afferente 1A, è solo circa 1 mV.
6.4 Sommatoria temporale e spaziale
Se l’ampiezza del potenziale postsinaptico è solo 1 mV, come può essere attivato un potenziale d’azione nel motoneurone e il riflesso funzionare? Si noti che è improbabile che un EPSP di 1 mV sia sufficiente a portare il potenziale di membrana del motoneurone alla soglia per innescare uno spike. Se non c’è uno spike, non ci sarà contrazione del muscolo. La risposta è che l’allungamento del muscolo innesca potenziali d’azione multipli in molti recettori di allungamento diversi. Infatti, maggiore è l’allungamento, maggiore è la probabilità di attivare più recettori di allungamento. Questo processo è chiamato reclutamento. Pertanto, più afferenze 1A convergono sul motoneurone spinale e partecipano alla sua attivazione. Questa non è l’intera risposta, tuttavia. Ricordiamo che maggiore è l’intensità dello stimolo, maggiore è il numero di potenziali d’azione suscitati in un recettore sensoriale. Maggiore è il tratto, maggiore è il numero di potenziali d’azione suscitati in un singolo neurone sensoriale e maggiore è il numero di EPSP prodotti nel neurone motore da quel treno di potenziali d’azione nella cellula sensoriale. I processi con cui gli EPSP multipli dai neuroni presinaptici si sommano nello spazio e nel tempo sono chiamati sommatoria temporale e spaziale.
Figura 6.3
Somma temporale. Un singolo potenziale d’azione nel neurone sensoriale 1 produce un EPSP di 1 mV nel neurone motore. Ora consideriamo le conseguenze dello sparo di due potenziali d’azione in rapida successione (Vedi figura sopra). Si generano due EPSP, il secondo dei quali si somma al fronte di caduta del primo. Come risultato di due potenziali d’azione, si verifica un potenziale sommato di circa 2 mV in ampiezza. Se ci fossero tre potenziali d’azione presinaptici, e si verificassero abbastanza rapidamente, il potenziale totale sarebbe di circa 3 mV, e così via. La somma temporale è strettamente una proprietà passiva delle cellule nervose. Non sono necessari speciali meccanismi di conduzione ionica per spiegarla. I potenziali si sommano a causa delle proprietà passive della membrana delle cellule nervose, in particolare la capacità delle membrane di immagazzinare la carica. La membrana immagazzina temporaneamente la carica del primo PSP e poi la carica del secondo PSP viene aggiunta ad esso per produrre un potenziale due volte più grande del primo. Questo processo di somma temporale dipende molto dalla durata del potenziale sinaptico. La sommatoria temporale si verifica quando i potenziali d’azione presinaptici si verificano in rapida successione. La durata dipende dalle proprietà passive della membrana, in particolare dalla costante di tempo.
Sommatoria spaziale. Consideriamo ora un neurone motore che riceve due input. Un potenziale d’azione prodotto nel neurone sensoriale 1 produce un EPSP di 1 mV e un singolo potenziale d’azione nel neurone sensoriale 2 produce anch’esso un EPSP di 1 mV. Se i potenziali d’azione sono prodotti simultaneamente nel neurone sensoriale 1 e nel neurone sensoriale 2, gli EPSP si sommano per produrre un EPSP sommato che è il doppio dei singoli EPSP. La somma spaziale nelle cellule nervose si verifica a causa della costante di spazio, la capacità di una carica prodotta in una regione della cellula di diffondersi in altre regioni della cellula.
6.5 IPSPs
Se un neurone spara in risposta a un input sinaptico dipende da quanti potenziali d’azione vengono sparati in ogni ingresso afferente, così come da quante vie afferenti individuali sono attivate.
La decisione di sparare dipende anche dalla presenza di input sinaptici inibitori. Depolarizzare artificialmente l’interneurone per iniziare un potenziale d’azione produce un’iperpolarizzazione transitoria del potenziale di membrana del motoneurone (Vedi Figura 6.2). Il corso temporale di questa iperpolarizzazione è molto simile a quello di un EPSP, ma il segno è invertito. Il potenziale sinaptico nel motoneurone è chiamato un potenziale postsinaptico inibitorio (IPSP) perché tende ad allontanare il potenziale di membrana dalla soglia, diminuendo così la probabilità che questo neurone inizi un potenziale d’azione.
6.6 Meccanismi ionici per gli IPSP
Il potenziale di membrana del motoneurone flessore è circa -65 mV, quindi si potrebbe prevedere che l’IPSP sia dovuto a un aumento della permeabilità o della conduttanza di uno ione il cui potenziale di equilibrio è più negativo di -65 mV. Una possibilità è il potassio. Il potassio media alcuni potenziali sinaptici inibitori nel sistema nervoso centrale, ma non nella particolare sinapsi tra un interneurone spinale e un motoneurone spinale. In questa particolare sinapsi, l’IPSP è dovuto a un aumento selettivo della permeabilità al cloruro. Si noti che il potenziale di equilibrio per il cloruro è di circa -70 mV. Il trasmettitore rilasciato dall’interneurone spinale si lega a una speciale classe di recettori ionotropi che sono normalmente chiusi, ma si aprono e diventano selettivamente permeabili agli ioni cloruro come risultato del legame del trasmettitore. Come risultato dell’aumento della permeabilità al Cl-, il potenziale di membrana si muove dal suo valore di riposo di -65 mV verso il potenziale di equilibrio del Cl-. (Si noti che in linea di principio, la diminuzione della conduttanza a riposo del Na+ potrebbe anche produrre un IPSP).
6.7 Sostanza trasmettitrice del neurone inibitorio spinale
Che dire della sostanza trasmettitrice che viene rilasciata dall’interneurone inibitorio nel midollo spinale? La sostanza trasmettitrice è la glicina, un aminoacido usato frequentemente nel sistema nervoso centrale come trasmettitore che produce azioni inibitorie. Tuttavia, non è il più comune. Il trasmettitore più comune con azioni inibitorie è l’acido gamma aminobutirrico (GABA).
6.8 Risposte sinaptiche metabotropiche
Oltre alle risposte mediate dai recettori ionotropici, esiste una classe completamente separata di potenziali sinaptici che hanno durate con ordini di grandezza maggiori delle durate degli EPSP classici. Questi sono i cosiddetti potenziali sinaptici lenti e sono mediati da recettori metabotropi. I potenziali sinaptici lenti non sono osservati in tutti i neuroni postsinaptici, ma sono certamente osservati in molti. La figura qui sotto illustra un neurone postsinaptico che riceve due ingressi. Un potenziale d’azione nel neurone 1 produce un potenziale postsinaptico eccitatorio o EPSP nella cellula postsinaptica la cui durata è di circa 20 msec. Il neurone 2 può anche produrre un potenziale postsinaptico ma la sua durata è più di tre ordini di grandezza più lunga di quella del potenziale sinaptico di tipo convenzionale. Il meccanismo di queste risposte sinaptiche lente coinvolge cambiamenti nel metabolismo della cellula.
Figura 6.4
Figura 6.5
Un meccanismo per un potenziale sinaptico lento è mostrato nell’illustrazione a sinistra (Figura 6.5) e nella Figura 11.11. In contrasto con il recettore ionotropo per il quale i recettori sono effettivamente parte del complesso del canale, i canali che producono i potenziali sinaptici lenti non sono direttamente accoppiati ai recettori trasmettitori. Piuttosto, i recettori sono separati dal canale. Questi recettori sono conosciuti come metabotropi perché comportano cambiamenti nel metabolismo della cellula e, in generale, cambiamenti nell’attivazione di specifici sistemi di secondi messaggeri. La figura a sinistra illustra un esempio di un tipo di risposta che coinvolge la cascata dell’AMP ciclico. Le PSP lente sono in alcuni casi mediate dall’AMP ciclico, ma sono anche mediate da altre protein chinasi. Per la risposta nella Figura 6.5, il trasmettitore attiva le proteine G che portano all’aumento della sintesi di AMP ciclico. L’AMP ciclico porta poi all’attivazione della chinasi AMP ciclico-dipendente (PKA), che fosforila una proteina del canale o un componente del canale e quindi produce un cambiamento conformazionale nel canale e un cambiamento nella sua permeabilità ionica. In contrasto con un cambiamento conformazionale diretto prodotto dal legame di un trasmettitore al complesso del canale del recettore (visto nelle risposte mediate dai recettori ionotropi), il cambiamento conformazionale è prodotto dalla fosforilazione. Il canale particolare è un canale selettivamente permeabile al K+ ed è normalmente aperto. Come risultato della fosforilazione del canale da parte di PKA, il canale si chiude e diventa meno permeabile al K+. Poiché il normale potenziale di riposo è dovuto a un equilibrio di Na+ e K+, la diminuzione della conduttanza del K+ favorisce gli effetti della conduttanza del Na+ e si produce una depolarizzazione.
È interessante sottolineare che l’attivazione dei recettori metabotropi può produrre effetti molto più lunghi di alcune centinaia di secondi. Per esempio, la proteina chinasi A può diffondersi nel nucleo dove può fosforilare proteine (cioè, fattori di trascrizione) che regolano l’espressione genica.
6.9 Tipi di trasmissione sinaptica
Questo capitolo e i due precedenti si sono concentrati sulla trasmissione sinaptica chimica. Come avete visto per le sinapsi chimiche, c’è una distinta discontinuità citoplasmatica che separa le membrane presinaptiche e postsinaptiche (Fig. 6.6A).
Figura 6.6A
Figura 6.6B
Questa discontinuità è nota come fessura sinaptica. Il terminale presinaptico delle sinapsi chimiche contiene un’alta concentrazione di mitocondri e vescicole sinaptiche, e c’è un caratteristico ispessimento della membrana postsinaptica. Come risultato di una depolarizzazione o di un potenziale d’azione nel terminale presinaptico, vengono rilasciati trasmettitori chimici dal terminale presinaptico, che si diffondono attraverso la fessura sinaptica e si legano a siti recettoriali sulla membrana postsinaptica. Questo porta a un cambiamento di permeabilità che produce il potenziale postsinaptico. Per le sinapsi chimiche, c’è un ritardo (di solito, circa 0.5-1 ms di durata) tra l’inizio di un potenziale d’azione nel terminale presinaptico e un cambiamento di potenziale nella cellula postsinaptica. Il ritardo sinaptico è dovuto al tempo necessario al trasmettitore per essere rilasciato, diffondersi attraverso la fessura e legarsi con i recettori sulla membrana postsinaptica. La trasmissione sinaptica chimica è generalmente unidirezionale. Un cambiamento di potenziale nella cellula presinaptica rilascia un trasmettitore che produce un potenziale postsinaptico, ma una depolarizzazione nella cellula postsinaptica non produce alcun effetto nella cellula presinaptica perché nessun trasmettitore viene rilasciato dalla cellula postsinaptica nella regione sinaptica. Il tipo più predominante di sinapsi è la sinapsi chimica, e per questo motivo sono state oggetto di questo e dei capitoli precedenti.
Tuttavia, un’altra categoria di sinapsi sono quelle associate alla trasmissione sinaptica elettrica. La trasmissione sinaptica elettrica è mediata da strutture specializzate note come gap junctions (Fig. 6.6B), che forniscono una via di continuità citoplasmatica tra le cellule presinaptiche e postsinaptiche. Di conseguenza, una depolarizzazione (o una iperpolarizzazione) prodotta nel terminale presinaptico produce un cambiamento del potenziale del terminale postsinaptico, che è dovuto alla via ionica diretta tra le cellule. Per le sinapsi elettriche, è presente un ritardo sinaptico minimo; non appena un cambiamento di potenziale è prodotto nel terminale presinaptico, un riflesso di quel cambiamento di potenziale è prodotto nella cellula postsinaptica. Le giunzioni elettriche si trovano sia nel sistema nervoso che tra altre membrane eccitabili, come le cellule muscolari lisce e cardiache. In queste cellule muscolari, forniscono una via importante per la propagazione dei potenziali d’azione da una cellula muscolare all’altra.
6.10 Neurotossine
La scoperta di alcune tossine ha notevolmente facilitato l’analisi dei canali a tensione e a legame chimico, nonché il processo di trasmissione sinaptica. La seguente tabella ne illustra alcune che sono state particolarmente utili.
| Alcune importanti neurotossine | |
| tetrodotossina (TTX) | Tossina di pesce che blocca il poro dei canali Na+ dipendenti dalla tensione. |
| μ-conotossina (μ-CTX) | Tossina di lumaca conica di pesce con proprietà simili al TTX. |
| saxitossina (STX) | Tossina da dinoflagellati marini con proprietà simili al TTX. STX è anche conosciuto come veleno paralitico dei crostacei. |
| ω-conotossina (ω-CTX) | Tossina di lumaca conica che blocca certi tipi di canali Ca2+ dipendenti dalla tensione. |
| Tossina del ragno della ragnatela (ω-Aga) | Tossina del ragno della ragnatela che blocca certi tipi di canali Ca2+ dipendenti dalla tensione. |
| apamina | Tossina del veleno delle api che blocca certi tipi di canali K+ attivati dal Ca2+. |
| charybdotoxin (ChTX) | Tossina del veleno dello scorpione che blocca i pori di alcuni canali K+ attivati da Ca2+ e canali K+ dipendenti dal voltaggio. |
| curare (d-tubocurarine) | Tossina vegetale che è un inibitore competitivo dei recettori nicotinici ACh. |
| α-bungarotossina | Tossina di serpente che è inibitore competitivo e altamente irreversibile dei recettori nicotinici di ACh. |
| picrotossina | bloccante dei recettori GABAA isolato dal seme di Anamirta cocculus. |
| stricnina | bloccante dei recettori della glicina isolato dal seme dell’albero dell’India orientale Strychnos nux-vomica. |
| tossina tetanica | Neurotossina clostridiale con attività proteasica zinco-dipendente; scinde le proteine delle vescicole sinaptiche nel SNC e quindi blocca il rilascio di neurotrasmettitori. |
| Tossina di botulino | Neurotossina clostridiale con attività proteasica zinco-dipendente; Scinde le proteine delle vescicole sinaptiche alla giunzione neuromuscolare e quindi blocca il rilascio di ACh. |