Introduzione
I neuroni ricevono continuamente da migliaia di altri neuroni intorno ad esso. Tuttavia, se questi input sono in grado di suscitare un potenziale d’azione o meno, dipende dalla sommatoria di questi input. La sommatoria può essere definita come un processo attraverso il quale i segnali eccitatori e inibitori insieme sono in grado di generare o meno un potenziale d’azione.
Ci sono due tipi di sommatorie, queste sono le sommatorie temporali e spaziali, rispettivamente. Le sommatorie spaziali possono essere definite come segnali provenienti da più ingressi simultanei. La somma temporale, invece, proviene da input ripetuti. Essenzialmente per ottenere un potenziale d’azione, la tensione di soglia deve essere raggiunta. Questo può essere determinato sommando i singoli input dalla somma temporale e spaziale.
Ci sono due tipi di neurotrasmettitori rilasciati dai neuroni presinaptici. La depolarizzazione è causata da neurotrasmettitori eccitatori, questo è chiamato un potenziale postsinaptico eccitatorio (EPSP). I neurotrasmettitori inibitori causano un’iperpolarizzazione, in altre parole un potenziale postsinaptico inibitorio (IPSP). I neuroni sono in grado di influenzarsi a vicenda in diversi modi. Sono in grado di causare eccitazione, inibizione e possono influenzare l’eccitabilità dell’altro.
La defacilitazione è la rimozione degli input eccitatori che possono facilitare un percorso. La disinibizione, d’altra parte, è la rimozione dell’input inibitorio.
Gli input di fonti multiple su un neurone possono essere sommati spazialmente, tuttavia gli input devono essere strettamente distanziati in modo che nessuno dei primi input decada. Se un neurone riceve input multipli da un’unica fonte nel necessario intervallo di tempo ravvicinato in modo che nessun input decada, allora questi input possono sommarsi temporalmente.
Un altro fattore molto importante nel determinare se il potenziale di soglia viene raggiunto e si ottiene un potenziale d’azione o meno è la distanza tra la sinapsi e il corpo cellulare neuronale. Più stretta è la distanza tra la sinapsi e il corpo cellulare, maggiore è la somma e più probabile è l’ottenimento di un potenziale d’azione.
Come sappiamo il mezzo di trasporto di un neurone postsinaptico è un dendrite. Questi dendriti hanno pochi canali ionici “voltage gated”. Quindi, quando raggiungono il corpo cellulare neuronale, il potenziale postsinaptico si attenua. Questo corpo cellulare neuronale somma questi potenziali in arrivo. Un potenziale d’azione è quindi suscitato dalla trasmissione del potenziale netto al poggio dell’assone.
Sommatoria spaziale
Quando gli input da più neuroni innescano un potenziale d’azione, questo è chiamato sommatoria spaziale. Questi potenziali sono più comunemente dai dendriti, sommiamo questi ingressi per ottenere la sommatoria spaziale.
Maggiore è il numero di potenziali postsinaptici eccitatori, maggiori sono le possibilità che il potenziale raggiunga il potenziale di soglia per provocare un potenziale d’azione. Allo stesso modo, maggiore è il numero di potenziali postsinaptici inibitori, minori sono le possibilità di raggiungere il potenziale di soglia per generare un potenziale d’azione.
Le possibilità di generare un potenziale d’azione sono anche significativamente influenzate dalla vicinanza dell’input dendritico al poggio dell’assone. Più l’input dendritico è vicino al poggio dell’assone, più è probabile che provochi un potenziale d’azione. Lo smistamento di un potenziale postsinaptico eccitatorio è l’annullamento di un input eccitatorio da parte della somma spaziale degli input inibitori.
Somma temporale
Quando una grande quantità di potenziali d’azione presinaptici del neurone innesca potenziali d’azione postsinaptici che si sommano tra loro, questo è chiamato somma temporale.
In questo caso, l’intervallo tra i potenziali d’azione è inferiore alla durata del potenziale d’azione postsinaptico. La somma può essere aumentata se la costante di tempo della membrana cellulare è abbastanza lunga. Quando inizia il prossimo potenziale postsinaptico, l’ampiezza del precedente potenziale postsinaptico si sommerà ad esso producendo un potenziale maggiore che aumenta la probabilità di raggiungere il potenziale di soglia.
Meccanismo
Le cellule postsinaptiche contengono canali ionici, questi canali ionici possono aprirsi o chiudersi a seconda del neurotrasmettitore che si lega ai recettori. L’apertura/chiusura di questi canali crea un potenziale postsinaptico. Ci sono 2 tipi di potenziali postsinaptici. Un potenziale postsinaptico eccitatorio è quello che aumenta le possibilità di iniziare un potenziale d’azione. Allo stesso modo, i potenziali postsinaptici inibitori diminuiscono le possibilità che un potenziale d’azione sia iniziato.
Neurotrasmettitori eccitatori (Glutammato)
Un primo esempio di neurotrasmettitore eccitatorio è il glutammato. Questo glutammato si lega ai recettori AMPA sulla membrana postsinaptica. Questo legame causa un afflusso di cationi di sodio. Questo afflusso di sodio causa una depolarizzazione. Questo è chiamato potenziale postsinaptico eccitatorio (EPSP). È essenziale notare che perché la somma EPSP raggiunga il potenziale di soglia, è necessario un gran numero di questi ingressi. Gli effetti dei neurotrasmettitori durano molto più a lungo di quelli degli impulsi presinaptici.
La differenza tra i potenziali postsinaptici eccitatori e i potenziali d’azione è che i potenziali postsinaptici eccitatori sono in grado di sommare i loro input producendo una risposta graduata in opposizione alla risposta tutto o niente in cui il potenziale di soglia può essere raggiunto stimolando un potenziale d’azione o può non essere raggiunto affatto.
Neurotrasmettitori inibitori (GABA)
GABA è il principale neurotrasmettitore coinvolto nei potenziali postsinaptici inibitori (IPSP). Legandosi ai recettori del neurone postsinaptico, il GABA apre dei canali ionici specifici che sono diversi da quelli aperti negli EPSP da neurotrasmettitori eccitatori come il glutammato. Questi canali permettono un afflusso di anioni caricati negativamente o un efflusso di cationi caricati positivamente. L’anione in questo caso è lo ione cloruro. I cationi effusi sono ioni di potassio. Entrambi gli ioni hanno lo stesso effetto nell’abbassare il potenziale di membrana causando l’iperpolarizzazione del neurone postsinaptico.
La somma di questi IPSPs e la caduta della tensione di membrana si allontanerà dal potenziale di soglia inibendo un potenziale d’azione. Tuttavia questi IPSP ed EPSP possono verificarsi allo stesso tempo, quindi il neurone postsinaptico può ricevere segnali eccitatori dal glutammato e segnali inibitori dal GABA. L’obiettivo del glutammato inibitorio è quello di abbassare il potenziale di membrana lontano dal potenziale di soglia tramite iperpolarizzazione.
Elaborazione algebrica degli EPSP e degli IPSP
In qualsiasi neurone, in qualsiasi momento, riceverà numerosi input EPSP e IPSP contemporaneamente. Per determinare l’uscita, se il potenziale di soglia sarà raggiunto e un potenziale d’azione sarà suscitato o no, bisogna prendere l’elaborazione algebrica di questi EPSP e IPSP. Questi neuroni riceveranno numerosi input sia da più neuroni (somma spaziale) sia da più input da un singolo neurone (somma temporale).
Questo output dipende dal numero di ogni tipo di neurotrasmettitore sia che si tratti di neurotrasmettitori eccitatori come il glutammato che causano l’afflusso di ioni sodio attraverso i canali degli ioni sodio o di neurotrasmettitori inibitori come il GABA che causano un afflusso di ioni cloruro o di ioni potassio rispettivamente attraverso i canali degli ioni cloruro o potassio. Questa sinapsi può essere definita come il punto di decisione dove l’elaborazione algebrica di questi IPSPs ed EPSPs determina l’uscita.
Axon Hillock
La parte del corpo cellulare di un neurone che si collega all’assone è chiamata axon hillock. Ha una distribuzione rada di sostanza Nissl. Siamo in grado di identificarla al microscopio ottico. Poiché questa collinetta assonica collega l’assone e il soma del neurone, è la regione finale del soma dove avviene la somma dei potenziali di membrana dagli input sinaptici. Questa somma viene poi trasmessa all’assone.
Anche se in passato, molti credevano che la collinetta dell’assone fosse la zona di innesco dove i potenziali d’azione vengono iniziati, ora si ritiene che il segmento iniziale tra il segmento iniziale dell’assone non mielinizzato e il picco della collinetta dell’assone sia il luogo dove il potenziale d’azione viene iniziato. Il punto positivo dell’assone dove viene iniziato il potenziale d’azione varia da cellula a cellula.
La stimolazione ormonale e gli effetti del secondo messaggero dei neurotrasmettitori possono anche cambiare questo punto positivo. La localizzazione dei potenziali di membrana alla parte somale o assonale della cellula può essere ottenuta delineando domini di membrana distinti tra l’assone e il corpo cellulare. Questo può essere ottenuto dalla collinetta assonale.
Shunting
Spesso in un neurone, i potenziali postsinaptici eccitatori e postsinaptici inibitori in un dendrite sono molto vicini tra loro. Questo è chiamato shunting. Oltre ai dendriti, lo smistamento può avvenire anche nel soma di una cellula.
La sommatoria temporale ci direbbe di sommare questi potenziali postsinaptici eccitatori e postsinaptici inibitori per determinare l’uscita risultante se il potenziale di soglia è raggiunto e un potenziale d’azione è iniziato o no. Tuttavia, nel caso di questa sequenza di eventi che si verificano nel soma di una chiamata, la resistenza della cellula è alterata dall’input inibitorio. La cellula comincia a perdere, questo creerà uno shunt al contrario di liberarsi dell’effetto dell’input eccitatorio.
Applicazione terapeutica
Quando si parla di stimolazione nocicettiva, la sommatoria temporale è l’integrazione di stimoli dolorosi ripetitivi. La sommatoria spaziale, d’altra parte, è l’integrazione degli input nocicettivi da grandi aree. Molte malattie croniche hanno sintomi di dolore di lunga durata che sono diffusi. Quindi sia le sommatorie temporali che spaziali nocicettive si trovano nelle malattie croniche. Gli esperimenti di stimolazione della pressione forniscono la prova del fatto che la sommatoria temporale degli input nocicettivi è facilitata dalla sommatoria spaziale. Quindi la migliore linea d’azione nel trattamento del dolore cronico è quella di dirigere il trattamento verso la sommatoria spaziale e temporale del dolore.
Ricerca
La maggior parte delle sperimentazioni sulla sommatoria spaziale sono testate su neuroni ottici e sensoriali, la ragione è che hanno una gamma costante di frequenza di neuroni eccitatori e inibitori. L’attenuazione del potenziale postsinaptico dei corpi cellulari dei neuroni e dei dendriti è il grande focus della sommatoria neurale negli studi degli ultimi giorni. A causa del fatto che la risposta di queste interazioni è inferiore alla somma delle risposte individuali, queste risposte sono descritte come non lineari. Lo smistamento è una causa comune di questo effetto. Lo smistamento è una diminuzione della conduttanza del potenziale postsinaptico eccitatorio.
Naoki Kogo e Michael Ariel sono stati in grado di sperimentare sul nucleo ottico basale della tartaruga, da questo sono stati in grado di trarre informazioni sull’inibizione dello shunting. Secondo il loro lavoro, la sommatoria spaziale EPSP e IPSP ha causato l’attenuazione della risposta eccitatoria durante la risposta inibitoria. Si è anche notato che dopo l’attenuazione c’era un aumento della risposta eccitatoria. Il controllo per questo esperimento era testare l’attenuazione quando una corrente di iperpolarizzazione attivava questi canali sensibili al voltaggio. Si è concluso che l’attenuazione è causata dall’apertura dei canali recettoriali sinaptici e non dall’iperpolarizzazione.
Conclusione
In ogni momento, un neurone riceve input multipli da più neuroni diversi.
Questi input possono essere eccitatori o inibitori, tuttavia, per determinare se il potenziale di soglia sarà raggiunto e un potenziale d’azione sarà generato o meno, è necessario considerare una serie di fattori.
Diversi neurotrasmettitori hanno effetti diversi, i neurotrasmettitori eccitatori come il glutammato causano l’apertura dei canali degli ioni di sodio causando l’afflusso di ioni di sodio che aumentano il potenziale di membrana. I neurotrasmettitori inibitori come il GABA possono aprire i canali degli ioni cloruro causando l’afflusso di ioni cloruro o possono aprire i canali degli ioni potassio causando l’efflusso di ioni potassio.
Entrambi questi effetti abbassano il potenziale di membrana, allontanandolo dalla tensione di soglia e diminuendo le possibilità di iniziare un potenziale d’azione.
Un altro fattore che aumenta le possibilità di innescare un potenziale d’azione è la vicinanza dell’ingresso dendritico alla collinetta dell’assone, più vicino è, più alte sono le possibilità di innescare un potenziale d’azione. Una collinetta assonica è una parte del soma di un neurone che lo collega all’assone.
I neurotrasmettitori eccitatori aumentano le possibilità di depolarizzazione, il cambiamento della tensione di membrana è chiamato potenziale postsinaptico eccitatorio (EPSP). I neurotrasmettitori inibitori aumentano le possibilità di iperpolarizzazione, questo cambiamento nel potenziale di membrana si chiama potenziale postsinaptico inibitorio (IPSP).
Se la tensione di soglia sarà raggiunta, e un potenziale d’azione sarà iniziato o meno, dipende dalla somma algebrica dei singoli ingressi. Ci sono due tipi di somma.
La somma di più ingressi da più neuroni presinaptici diversi che innescano un potenziale d’azione è chiamata somma spaziale. Un’alta frequenza di ingressi da un neurone presinaptico sommati per produrre un potenziale d’azione è chiamata sommatoria temporale. Questa durata del potenziale postsinaptico è più lunga della durata tra i rispettivi potenziali d’azione.