Generazione di potenziali d’azione multipli

Perché un neurone genera più potenziali d’azione

Se facciamo passare in modo continuo una corrente depolarizzante attraverso un microelettrodo inserito in un neurone, non otteniamo un solo impulso, ma molti potenziali d’azione in successione. Il singolo potenziale d’azione, infatti, è un evento tutto-o-nulla che dura pochi millisecondi: una volta esaurito, se la membrana resta depolarizzata sopra la soglia, se ne genera un altro, e poi un altro ancora. È così che nasce quello che i neurofisiologi chiamano un treno di potenziali d’azione.

Questo comportamento ripetitivo è la base del modo in cui i neuroni comunicano tra loro. La singola scarica elettrica non porta molta informazione da sola; è la sequenza degli impulsi, il loro ritmo nel tempo, a costituire il segnale vero e proprio. Il cervello, in altre parole, non lavora tanto con la presenza o l’assenza di un impulso, quanto con la frequenza con cui gli impulsi si ripetono.

La frequenza di scarica codifica l’intensità dello stimolo

La frequenza di scarica del potenziale d’azione dipende direttamente dall’intensità della corrente depolarizzante applicata. Se facciamo passare una corrente appena sufficiente a portare il neurone al livello di soglia, ma non oltre, la cellula genera potenziali d’azione a una frequenza bassa, dell’ordine di un impulso al secondo, cioè un hertz (1 Hz).

Se aumentiamo anche di poco la corrente, la frequenza di scarica sale in modo evidente: la cellula può passare a decine di impulsi al secondo, per esempio 50 Hz. Il principio è chiaro e ha un valore generale in tutto il sistema nervoso: la frequenza di scarica riflette l’intensità dello stimolo. Uno stimolo debole produce pochi impulsi al secondo, uno stimolo intenso ne produce molti. È questo il meccanismo con cui, per esempio, una pressione più forte sulla pelle o una luce più intensa vengono tradotte in un segnale nervoso più marcato.

Un codice di frequenza, non di ampiezza

Vale la pena sottolineare un punto spesso frainteso. L’ampiezza del singolo potenziale d’azione non cambia con l’intensità dello stimolo: ogni impulso ha sempre più o meno la stessa altezza, perché è un evento tutto-o-nulla. Ciò che varia è quanti impulsi vengono emessi nell’unità di tempo. Il sistema nervoso utilizza quindi un codice di frequenza, non un codice di ampiezza, per rappresentare l’intensità delle informazioni che elabora.

Cosa accade nella membrana durante la scarica

Per capire perché la frequenza dipende dalla corrente conviene ricordare cosa succede nella membrana. Quando la corrente depolarizzante porta il potenziale di membrana alla soglia, si aprono i canali del sodio voltaggio-dipendenti: gli ioni sodio entrano rapidamente nella cellula e generano la fase ascendente del potenziale d’azione. Subito dopo i canali del sodio si inattivano e si aprono quelli del potassio, che riportano la membrana verso il valore di riposo. Sono proprio l’apertura, l’inattivazione e il successivo recupero di questi canali a scandire il tempo minimo che deve trascorrere prima che un nuovo impulso possa partire.

Con una corrente più intensa la membrana raggiunge di nuovo la soglia più in fretta dopo ogni impulso, quindi gli intervalli tra un potenziale e l’altro si accorciano e la frequenza sale. Con una corrente appena sufficiente, invece, la membrana impiega più tempo a ritornare alla soglia e gli impulsi restano radi. Questo spiega in termini concreti perché l’intensità dello stimolo si traduce in numero di impulsi al secondo, e non in impulsi più grandi.

Esiste un limite massimo alla frequenza

Per quanto la frequenza di scarica aumenti con l’aumentare della corrente, esiste un tetto invalicabile. Un neurone non può generare impulsi con una rapidità infinita: la frequenza massima di scarica è di circa 1000 Hz, cioè al massimo un potenziale d’azione ogni millisecondo. Questo limite non è arbitrario, ma discende dalle proprietà fisiche dei canali ionici della membrana e dai tempi necessari perché la cellula si ripristini dopo ogni impulso.

La ragione di questo tetto risiede in due fenomeni fondamentali che seguono ogni potenziale d’azione: il periodo refrattario assoluto e il periodo refrattario relativo. Sono proprio questi due intervalli a stabilire quanto rapidamente un neurone possa scaricare di nuovo.

Il periodo refrattario assoluto

Una volta che un potenziale d’azione è iniziato, è impossibile generarne un altro per almeno 1 millisecondo, indipendentemente da quanto sia intensa la corrente applicata. Questo intervallo di tempo si chiama periodo refrattario assoluto. Durante questa fase i canali per il sodio, che hanno permesso la fase crescente dell’impulso, sono inattivati: non si tratta semplicemente di canali chiusi, ma di canali temporaneamente bloccati, incapaci di riaprirsi finché la membrana non ritorna a valori di potenziale sufficientemente negativi.

Il periodo refrattario assoluto ha una funzione precisa. Impone un tempo minimo tra un impulso e il successivo e garantisce che ogni potenziale d’azione resti un evento distinto e separato. È anche uno dei fattori che assicura la propagazione unidirezionale dell’impulso lungo l’assone: la porzione di membrana appena attraversata è momentaneamente refrattaria e non può essere rieccitata all’indietro.

Il periodo refrattario relativo

Dopo la fine del periodo refrattario assoluto rimane comunque difficile, per alcuni millisecondi, generare un nuovo potenziale d’azione. Questo intervallo prende il nome di periodo refrattario relativo. In questa fase un nuovo impulso è possibile, ma richiede una corrente depolarizzante superiore al normale per portare il neurone alla soglia.

Il motivo è che, subito dopo un potenziale d’azione, la membrana è spesso iperpolarizzata rispetto al potenziale di riposo, a causa dei canali per il potassio ancora aperti. Partendo da un potenziale più negativo del solito, serve uno stimolo più forte per raggiungere la soglia. È proprio il periodo refrattario relativo che, di fatto, modula la frequenza massima raggiungibile: più lo stimolo è intenso, più facilmente riesce a superare questa resistenza, e più alta sarà la frequenza di scarica, fino al limite fisiologico dei 1000 Hz.

Perché tutto questo conta per il sistema nervoso

La generazione di potenziali d’azione multipli non è un dettaglio da laboratorio: è il modo in cui il sistema nervoso rappresenta il mondo. Un recettore sensoriale che riceve uno stimolo intenso, come una pressione forte sulla pelle, scarica a frequenza elevata; uno stimolo debole produce una scarica rada. Il cervello legge questa frequenza e ne ricava l’intensità della sensazione. Lo stesso principio vale per i comandi motori: un muscolo si contrae con più forza quando i motoneuroni che lo innervano aumentano la loro frequenza di scarica.

I periodi refrattari, dal canto loro, non sono solo un limite ma una garanzia di ordine. L’impossibilità di generare un secondo impulso troppo presto assicura che ogni potenziale d’azione resti un evento netto e separato, e che la propagazione lungo l’assone proceda in una sola direzione, senza che il segnale rimbalzi indietro. In questo modo la combinazione tra codifica di frequenza e periodi refrattari rende la comunicazione neuronale al tempo stesso ricca di informazione e affidabile.

Domande frequenti

Perché un neurone produce più potenziali d’azione invece di uno solo?

Perché finché la membrana resta depolarizzata sopra la soglia grazie a una corrente continua, dopo ogni impulso, esaurito il periodo refrattario, se ne genera un altro. Il risultato è un treno di potenziali d’azione la cui frequenza dipende dall’intensità dello stimolo.

Come fa il neurone a comunicare l’intensità dello stimolo se gli impulsi sono tutti uguali?

Tramite la frequenza di scarica. L’ampiezza del singolo impulso è costante, quindi l’intensità viene codificata nel numero di potenziali al secondo: pochi hertz per uno stimolo debole, decine o centinaia di hertz per uno stimolo forte.

Qual è la frequenza massima con cui un neurone può scaricare?

Il tetto fisiologico è di circa 1000 Hz, cioè al massimo un impulso ogni millisecondo. Questo limite deriva dal periodo refrattario assoluto, che impone almeno 1 millisecondo di attesa tra un potenziale d’azione e il successivo.

Che differenza c’è tra periodo refrattario assoluto e relativo?

Durante il periodo refrattario assoluto nessuno stimolo, per quanto intenso, può generare un nuovo impulso, perché i canali per il sodio sono inattivati. Durante il successivo periodo refrattario relativo un nuovo impulso è possibile, ma richiede una corrente maggiore del normale perché la membrana è iperpolarizzata.