Proprietatile neuronului - excitabilitatea

  Potentialul membranal de repaus

Daca se plaseaza 2 mictroelectrozi conectati la un osciloscop catodic pe suprafata membranei unui neuron vom observa pe ecranul osciloscopului ca acul sau imaginea indica pozitia zero. Daca unul dintre microelectrozi strapunge membrana si patrunde in interiorul neuronului, voltmetrul osciloscopului indica o diferenta de potential de -70 milivolti ceea ce inseamna ca potentialul din interiorul neuronului este aproximativ 70 mV, (mai negativ) decat potentialul din exteriorul acestuia. S-a constatat ca potentialul unui neuron poate sa ajunga la -90 mV. Datorita repartitiei inegale a ionilor pozitivi si negativi, de o parte si de alta a membranei neuronale, membrana este polarizata pozitiv pe partea externa si negativ pe partea interna. Daca ionii de Na patrund in celula nervoasa, datorita cresterii permeabilitatii membranei pentru acesti ioni, peste un timp oarecare ei sunt eliminati din nou in exteriorul celulei cu forta de catre asa numitele pompe ionice care elimina ionii de Na din celule si reintroduc ionii de K, ioni de K care au iesit lent si pasiv din celula. Cercetatorii au constatat ca membrana neuronala este de aproximativ 100 de ori mai permeabila pentru ionii de K decat pentru ionii de Na. De aceea ionii de K au o contributie mai mare la generarea potentialului membranal de repaus, decat ionii de Na.

Potentialul membranal de actiune reprezinta o depolarizare rapida a membranei urmata de o repolarizare la fel de rapida care se propaga de-alungul fibrei nervoase. potentialul membranal de actiune este expresia electrica a ceea ce numim impuls nervos. Succesiunea de impulsuri nervoase, deci de potentiale de actiune constituie un influx nervos. In desfasurarea uui potential de actiune se disting mai multe faze.

O faza latenta;

O faza de depolarizare;

O faza de repolarizare rapida;

Un postpotential negativ;

Un post potential pozitiv.

Faza latenta dureaza aproximativ 0,1 milisecunde. Ea incepe in momentul actiunii stimulului si se incheie cand potentialul de membrana scade de la valoarea de repaus pana la valoarea pragului de excitatie. In aceasta faza se deschid canalele pentru ionii de Na voltaj-dependente, crescand permeabilitatea membranei pentru ionii de Na.

Faza de depolarizare dureaza aproximativ 0,8 milisecunde. Ea se intinde din momentul cand potentialul de membrana atinge valoarea prag de excitatie, adica de -55 mV si momentul in care atinge o valoare apropiata de ceea ce noi numim potentialul nerst +35 mV. Potentialul nerst pentru un anumit ion corespunde cu acea valoare potentialului de membrana care previne total fenomenul de difuziune neta, prin membrana in orice sens a acelui ion.

Potentialul nerst se calculeaza astfel: E = ^RT log concentratia intracelulara a ionului / concentratia extracelulara a ionului.

E = potentialul nerst

R = constanta a gazelor

T = temperatura absoluta

F = constanta Faraday

Raportul dintre concentratia intracelulara si extracelulara pentru ionul de Na de exemplu este de 10/140= 0,14; log 0,14= -1

RT/F = -61=> E= 61x (-1) = 61

In aceasta faza ionii de Na navalesc in interiorul celulei. Fenomenul se numeste depolarizare. Cand valoarea potentialului membranal de acsiune se apropie de valoarea potentialului nerst pentru ionul de Na, difuziunea acestuia spre interior este blocata, datorita respingerii lui de catre sarcinile pozitive de pe fata interna a membranei. Imediat canalele de Na voltaj-dependente se inchid, iar permeabilitatea membranei pentru ionii de Na revine la nivel de repaus. Un canal voltaj-dependent are 2 parti: una activatoare situata la extremitatea externa a canalului si alta inhibitoare sau inactivatoare situata la extremitatea interna a membranei. In starea de repaus a membranei, partea activatoare este inchisa, iar cea interna este deschisa. Scaderea potentialului de membrana de la starea de repaus, adica de la +70 mV pana la pragul de excitatie de -55 mV si in continuare la valor mai mici care pot fi negative si dupa aceea pozitive duce la deschiderea partii activatoare si apoi mai lent la inchiderea partii inactivatoare. Partea inactivatoare se redeschide numai dupa ce potentialul de membrana atinge in urma repolarizarii valori apropiate de potentialul membranal de repaus.

Repolarizarea este rapida si dureaza aproximativ o milisecunda. Repolarizarea incepe cu inchiderea de catre partea inactivatoare a canalelor voltaj-dependente pentru ionii de Na si cu deschiderea canalelor K dependente pentru ionii de K. Ionii de K difuzeaza din mediul intracelular in cel extracelular in virtutea gradientului de concentratie. Datorita efluxului crescutd de ioni de K imediat dupa depolarizarea membranei are loc un inceput de repolarizare adica potentialul membranal trece de la valoarea pozitiva la valoarea negativa.

Faza postpotentialului negativ dureaza 2 pana la 3 milisecunde si se datoreaza reducerii refluxului de ioni de K prin canalele K voltaj-dependente datorita inchiderii lor. In aceste conditii repolarizarea membranei la nivelul potentialului membranal de repaus se realizeaza prin 2 mecanisme:

difuziunea ionilor de Na din vecinatatea membranei spre interiorul citoplasmei;

prin activitatea pompei care elimina Na in exteriorul celulei si reintroduce K in interiorul celulei.

Faza postpotentialului pozitiv este datorata pompelor ionice, care determina in exteriorul membranei un exces de sarcini pozitive ceea ce duce sau determina depasirea potentialului membranal de repaus pana la 10 mV. In felul acesta se instaleaza o stare de postpotential pozitiv, iar mai apoi un potential membranal de repaus.

Potentiale locale Prin actiunea unui stimul subliminal asupra unui axon la locul de actiune se produce o depolarizare usoara a membranei numita potential local. Cauza acestui potential local este deschiderea unui numar mic de canale pentru Na voltaj-dependent. Potentialele locale se propaga pe distante mici, iar amplitudinea si durata potentialelor locale creste odata cu marirea intensitatii stimulului subliminal in raport cu potentialul de actiune care au aceeasi amplitudine si durata indiferent daca ele sunt provocate de un stimul prag sau supraliminal. Potentialele de actiune fata de cele locale se supun legii "totul sau nimic". Potentialele locale nu au o faza refractara, de aceea efectul stimulului subliminal care actioneaza cu o frecventa mare se sumeaza. Daca prin suprapunerea depolarizarii succesive se atinge nivelul critic de -55 de mV, adica nivelul critic de depolarizare se declanseaza un potential de actiune. Stimulii de intensitate prag care acctioneaza in faza refractara a potentialului de actiune nu provoaca un nou potential de actiune nici chiar prin marirea amplitudinii potentialului respectiv.

In concluzie, in cazul potentialului de actiune nu se realizeaza insumarea potentialelor locale.

DETERMINAREA EXCITABILITATII

Pentru a determina excitabilitatea de cele mai multe ori se utilizeaza stimuli electrici care au o anumita durata de actiune si o anumita intensitate. Timpul necesar pentru ca un curent electric sa determine excitatia este cu atat mai scurt cu cat intensitatea lui este mai mare. Aceasta relatie se exprima grafic printr-o hiperbola nu numai in cazul tesutului nervos, ci si in cazul altor celule din organism.

In 1903 savantul francez V. Lapicque a initiat o metoda de determinare a excitabilitatii ce implica mai multi parametri. Cei mai importanti sunt: reobaza si cronaxia.

Reobaza    reprezinta intensitatea minima a curentului electric care declanseaza un potential de actiune, iar cronaxia este timpul minim util pentru declansarea unui influx nervos atunci cand se actioneaza cu un curent electric care are intensitate dubla fata de reobaza.

t - timp

I - intensitatea

R - reobaza

C - cronaxia

Cronaxia axonilor si a fibrelor musculare pe care le inerveaza au valori apropiate. In activitatile voluntare este bine sa nu existe diferente mari intre cronaxia neuronului si cea a muschiului pe care-l inerveaza. Altfel spus contractia musculara depinde in mare masura de neuronul care actioneaza asupra fibrei musculare neuron care trebuie sa fie intr-o stare de functionare perfecte.

Electrotonusul

In conditii fiziologice potentialele de actiune sunt generate de diferiti stimuli care pot fi mecanici, fizici sau chimici. In laboratoarele de neurofiziologie se utilizeaza stimuli electrici deoarece pot fi cuantificate caracteristicile si se manipuleaza cu usurinta. In aceste laboratoare, pentru stimularea electrica, se utilizeaza 2 electrozi, unul negativ si unul pozitiv. Prin stimularea cu un curent continuu excitatia se produce doar la inchiderea si deschiderea circuitului electric sau la variatii bruste ale curentului.

La inchiderea circuitului electric sau odata cu cresterea brusca a excitatiei se produce o excitatie inregiunea catodului, iar la deschiderea circuitului sau micsorarea brusca a excitatiei, aceasta se produce in regiunea anodului. La inchiderea circuitului la anod pornesc linii de curent. Aceste linii de curent in majoritatea lor strabatmembrana fibrelor nervoase pana in interiorul lor unde sunt conduse cu usurinta datorita electrolitilor si in final ajung la catod.

Liniile de curent de la anod la catod, prin lichidul interstitial sunt foarte putine datorita acestui strat de lichid.

(anod) A⁺← Cl^- - anion

(catod) C^- ← Na⁺ - cation

Sub actiunea liniilor de curent sunt antrenati brusc ionii cei mai mobili din axoplasma. Este vorba de ionul de K si ionii de Na. Ei ajung de la anod la catod unde se acumuleaza. Cresterea electropozitivitatii pe fata interna a membranei in zona catodului inseamna depolarizarea membranei sau catelectrotonus fapt ce genereaza deschiderea canalelor de Na voltaj-dependente si generarea unui potential de actiune.

In urma migrarii ionilor de Na in zona anodului are loc o hiperpolarizare, adica partea interna a membranei devine mai electronegativa intrucat ionii de Na a plecat de-acolo. Aceasta hiperpolarizare mai poarta denumirea de anelectrotonus.

Zonele care au un catelectrotonus adica sunt usor depolarizate au o excitatie mai crescuta, iar cele cu anelectrotonus sunt usor hiperpolarizate cu o excitatie mai scazuta fata de normal.

Conductibilitatea

Conductibilitatea este definita drept proprietatea de a conduce impulsul nervos de la dendrite la corpul neuronului, iar de aici prin axon la arborezatia terminala a axonului.

La om potentialul de actiune se propaga mai rapid in fibrele nervoase mielenizate si cu o viteza mai mica in fibrele nervoase nemielenizate. In fibrele nervoase nemielenizate viteza de propagare este intre 0,5 pana la 2 m/sec. In fibrele mielenizate viteza este de 50 de ori mai mare.

In momentul producerii potentialului de actiune se realizeaza o inversare a polaritatii membranei pe o lungime intre 16 si 60 de mm. (P. Gherghel, 2001). Astfel in zona depolarizata membrana devine electropozitiva pe fata interna datorita patrunderii masive a ionilor de Na, si electronegativa pe partea externa datorita ionilor de Cl care raman in cantitate mare in aceasta zona.

Intre zona depolarizata sau activa si zona polarizata sau inactiva din imediata vecinatate a zonei excitate apare o diferenta de potential care determina migrarea sarcinilor pozitive, respectiv a ionilor de Na in axoplasma din zona depolarizata respectiv activa in zona polarizata respectiv inactiva.

In lichidul interstitial (la exteriorul membranei) migrarea se va realiza din zona polarizata in zona depolarizata. Aceasta migrare a cationilor a fost asemanata cu anumiti curenti de mica intensitate de catre Robert Hermann in 1879 si ulterior au luat denumirea de curenti locali hermann. Acest curenti realizeaza un circuit al carui efect este diferit pe cele doua fete ale membranei neuronale.

Pe fata interna a membranei sarcinile pozitive ajunse din zona depolarizata in zona polarizata au efect depolarizant adica realizeaza catelectrotonus. Ca urmare a depolarizarii adica a scaderii valorii potentialului membranal de repaus de la -70 mv la -66 mv se deschid canalele de Na voltaj-dependente si Na patrunde in axoplasma amplificand efectul de polarizant al curentilor locali.

Deplasarea cationilor din zona depolarizata spre cea polarizata intretine efectul depolarizant, amplificator si astfel depolarizarea membranei in zonele inactive atinge nivelul critic de -55 mv care este si nivelul prag si se declanseaza un potential de actiune.

Concluzii:

Potentialele de actiune se propaga in fibrele amielenice din aproape in aproape cu ajutorul curentilor locali. Daca pe fata internaa membranei neuronale efectul curentilor locali este depolarizant si duce la declansarea unui nou potential de actiune pe fata externa, curentii locali au o actiune repolarizanta adica sarcinile pozitive se deplaseaza din zona inactiva in cea activa si determina restabilirea potentialului membranal de repaus. Rezulta ca unda de depolarizare a potentialului de actiune este urmata de o unda de repolarizare.

In fibrele nervoase mielenizate potentialele de actiune se propaga cu viteza mare in jur de 120 m/sec datorita particularitatilor morfofunctionale ale acestor fibre, adica in regiunea intermodulilor axolema este impermeabila pentru ionii de Na, iar teaca cu mielina are efect izolator impiedicand iesirea curentilor locali prin membrana in lichidul interstitial. In schimb in regiunea nodulilor reanvier teaca cu mielina lipseste si numarul canalelor pentru ionii de Na voltaj-dependente este de aproximativ 400 de ori mai mare decat membrana fibrelor amielinice.

Curentii care iau nastere pe fata interna a membranei neuronale ca urmare a generarii unui potential de actiune la nivelul unui modul ranvier se deplaseaza pana la nodulul imediat respectiv, fac un salt si provoaca depolarizarea membranei generand astfel un potential de actiune.

Curentii locali care iau nastere in urma depolarizarii membranei pana la o valoare a potentialului de +35 mv pot determina depolarizarea in al doilea modul ranvier care a fost inactiv daca primul nodul este scos din functiune.

In concluzie pe fata externa a membranei curentii locali se deplaseaza de la nodulul inactiv la cel activ, deci prezenta tecii de mielina si particularitatile legate de densitatea canalelor deNa voltaj-dependente din membrana au permis marirea distantei la care se deplaseaza curentii locali si odata cu ei atat depolarizarea cat si cresterea vitezei de propagare a potentialului de actiune.

DEGENERESCENTA SI REGENERAREA FIBREI NERVOASE

Daca se constata ca un corp al neuronului a suferit leziuni, moartea lui este inevitabila. Odata distrusi neuronii, ei nu se mai refac intrucat celula nervoasa nu se divide. Singura zona a corpului unde celulele nediferentiate dau nastere la noi neuroni este mucoasa olfactiva si unde neuronii bipolari daca mor, in timp de 2 luni sunt inlocuiti de 2 neuroni.

Daca fibrele nervoase sunt lezate o parte nu se mai refac, este vorba de fibrele nervoase din sistemul nervos central, iar altele din sistemul nervos periferic se refac.

Axonii detasati de corpul neuronilor din sistemul nervos central mor din cauza unor factori necesari supravieturii lor care se gasesc numai in corpii neuronilor. Am putea spune ca axonii nu supravietuiesc detasati de corp asa cum membrele unui individ nu supravietuiesc detasate de corpul acestuia.

Pentru a sesiza care sunt factorii care determina moartea fibrelor nervoase izolate sau efectuat mai multe experiente. De exemplu: s-au lezat cativa axoni din maduva spinarii a unui soarece de laborator. S-a constatat ca axonii s-au degradat si si-au pierdut functiile lor. Daca insa la locul leziunii au fost drefati nervi periferici carora li s-au extras axonii din teaca Schwann axonii lezati    au regenerat in interiorul tecilor Schwann implantate. In momentul in care insa acesti axoni au venit in contact cu oligodendrocitele si-au incetat cresterea. In concluzie celulele Schwann stimuleazacresterea axonilor, iar celulele gliale respectiv oligodendrocitele o inhiba.

O alta experienta a constat in realizarea unor leziuni mai ample a maduvei spinarii de la sobolani. La acestea s-au administrat niste anticorpi specifici unor proteine care inhiba cresterea axonilor. S-a constatat ca axonii cresc atata timp cat sunt inhibate aceste proteine care nu permit cresterea axonilor.

Dupa aceste experiente s-a tras concluzia ca este posibila regenerarea fibrelor nervoase in sistemul nervos central. Astazi, in urma unor accidente, prin tehnici de microchirurgie si cu o medicatie adecvata sunt regenerate partial fibre din maduva spinarii a omului sau din alte zone ale sistemului nervos central.

S-a mai constatat ca in urma mortii fibrelor nervoase in zona respectiva se formeaza niste substante neurotoxice care nu numai ca afecteaza zona respectiva, dar si influenteaza activitatea sistemului nervos. Studiile de neurofiziologie au evidentiat ca exista totusi o proteina asociata cresterii axonilor care se gaseste in permanenta in sistemul nervos de la periferia corpului.

Cresterea fibrelor nervoase este conditionata insa si de unii factori neurotrofici care stimuleaza insasi activitatea lor. In 1950 o cercetatoare Rita Levi Montalcini a descoperit aceasta substanta si pentru care a primit in 1966 premiul Nobel, substanta care stimuleaza mai ales cresterea fibrleor nervoase senzitive din sistemul nervos central.