Il Potenziale d'azione

Molto di quello che sappiamo sul modo di funzionare dei neuroni proviene da studi effettuati sull'assone gigante di calamaro. Si tratta di un assone che va dalla testa alla coda del calamaro ed è usato per muoverla. Può arrivare fino ad 1 mm di diametro, e quindi ad essere ben visibile anche ad occhio nudo.

I neuroni generano ed inviano messaggi tramite processi electrochimici. Nell'organismo, molte sostanze chimiche hanno una carica elettrica e, quando ciò si verifica, si chiamano "ioni". Nel Sistema Nervoso, gli ioni più importanti sono il sodio (Na), il potassio (K) - entrambi con una carica positiva: + -, il calcio (Ca) - con due cariche positive: ++ ed il cloro (Cl) - con una carica negativa: -. Anche alcune molecole proteiche sono caricate negativamente. Le cellule sono inoltre avvolte da una membrana che consente il passaggio di alcuni ioni e non di altri; questo tipo di membrana prende il nome di semi-permeabile.

Potenziale di riposo

Quando un neurone non sta producendo segnali, si dice che è "a riposo". Quando un neurone è a riposo, il suo interno è negativo rispetto all'esterno. Anche se le diverse concentrazioni ioniche ai due lati della membrana cercano di bilanciarsi, ciò non avviene, in quanto la membrana cellulare consente il passaggio di solo alcuni ioni, attraverso canali specializzati. A riposo, gli ioni potassio (K⁺) possono attraversare la membrana abbastanza facilmente, mentre gli ioni cloro (Cl^-) e sodio (Na⁺) hanno maggiore difficoltà. A riposo, vi sono relativamente più ioni sodio all'esterno e più ioni potassio all'interno. Le proteine, caricate negativamente, che si trovano dentro il neurone non possono uscirne. Oltre ai canali selettivi, la membrana cellulare è dotata anche di pompe che consumano energia per spostare 3 ioni sodio fuori dal neurone ogni 2 ioni potassio che vengono presi dentro. Quando tutte queste forze (di concentrazione, elettriche ed attive) sono in equilibrio, si stabilisce una differenza di voltaggio, fra esterno ed interno del neurone, che prende il nome di potentiale di riposo. Il potenziale di riposo della membrana di un neurone è di circa -70 mV (mV=millivolt) - cioè l'interno del neurone è di 70 mV più negativo dell'esterno.

Action Potential

So the resting potential indicates what is happening with the neuron at rest. The action potential indicates what happens when the neuron transmits information from one cell to another. Neuroscientists use other words, such as a "spike" or an "impulse" to describe the action potential. The action potential is an explosion of electrical activity that is created by a depolarizing current. This means that some event (a stimulus) causes the resting potential to move toward 0 mV. When the depolarization reaches about -55 mV a neuron will fire an action potential. This is the threshold. If the neuron does not reach this critical threshold level, then no action potential will fire. Also, when the threshold level is reached, an action potential of a fixed sized will always fire...for any given neuron, the size of the action potential is always the same. There are no big or small action potentials in one nerve cell - all action potentials are the same size. Therefore, the neuron either does not reach the threshold or a complete action potential is fired - this is the "ALL OR NONE" principle.

The "cause" of the action potential is an exchange of ions across the neuron membrane. A stimulus first results in the opening of sodium channels. Since there are a lot more sodium ions on the outside, and the inside of the neuron is negative relative to the outside, sodium ions rush into the neuron. Remember, sodium has a positive charge, so the neuron becomes more positive and becomes depolarized. It takes longer for potassium channels to open. When they do open, potassium rushes out of the cell, reversing the depolarization. Also at about this time, sodium channels start to close. This causes the action potential to go back toward -70 mV (a repolarization). The action potential actually goes past -70 mV (a hyperpolarization) since the potassium channels stay open a bit too long. Gradually, the ion concentrations go back to resting levels and the cell returns to -70 mV.

Hear some action potentials in the Sounds of Neuroscience gallery. See and hear more about the neuron membrane potential using virtual reality modeling language (VRML).

Did you know?

The giant axon of the squid can be 100 to 1000 times larger than a mammalian axon. The giant axon innervates the squid's mantle muscle. These muscles are used to propel the squid through the water.