BASI FISIOLOGICHE DEI SEGNALI BIOLOGICI COMPLESSI

Appunti del corso integrativo tenuto dal dott. Andrea Brovelli nel modulo di Neuroscienze

per gli studenti del Corso di Laurea in Biotecnologie

dell'Università di Trieste

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1 Basi fisiologiche dei segnali bio-elettromagnetici

I segnali bioelettromagnetici generati dai neuroni della corteccia cerebrale possono essere registrati mediante due tecniche: l'elettroencefalografia (EEG) e la magnetoencefalografia (MEG). Queste due tecniche rilevano e misurano due aspetti dell'attività sinaptica corticale. La prima (l'EEG) registra variazioni del campo elettrico generato da gruppi di neuroni piramidali, mentre la MEG registra variazioni del campo magnetico indotto dal variare del campo elettrico generato dagli stessi neuroni. I due fenomeni sono strettamente correlati e le leggi fisiche (cfr., le equazioni di Maxwell) che descrivono questi fenomeni sono ben conosciute e costituiscono la base della teoria elettromagnetica.

1.1 Cenni sui campi elettromagnetici
Profilo del campo elettrico misurato in più punti dello spazio. Questo campo crea correnti indicate dalle frecce. La presenza di un campo elettrico provoca uno "spostamento elettrico" della carica, detta corrente.
Uno degli effetti del movimento di cariche è la produzione di un campo magnetico.
 Profilo del campo magnetico misurato in più punti dello spazio

Quando una carica elettrica in quiete, situata in una determinata zona di spazio, è soggetta ad una forza di origine elettrica, si dice che in quella zona di spazio esiste un "campo elettrico". Si può immaginare il campo elettrico come una sorta di zona di spazio perturbata, entro la quale si manifestano le forze dovute alla presenza delle cariche, come i fenomeni di attrazione e di repulsione; in definitiva i campi elettrici sono creati da corpi carichi ed i loro effetti possono essere risentiti soltanto da altri corpi elettricamente carichi. All'interno del campo elettrico esistono delle "linee di forza" e le azioni di attrazione o repulsione di particelle che si trovassero nel campo dovrebbero seguire queste linee. L'intensità del campo, o forza elettrica del campo, che agisce su una carica elettrica posta nel suo interno si può misurare come differenza di potenziale elettrico rispetto a un punto a zero potenziale. La presenza di un campo elettrico genera una corrente elettrica che per convenzione è diretta dalla zona elettropositiva alla zona elettronegativa.
Inoltre, uno degli effetti della presenza di una corrente elettrica o ionica è quello di produrre un campo magnetico intorno al conduttore percorso da corrente. Il campo magnetico prodotto fa deviare un ago magnetico posto nelle sue vicinanze seguendo la direzione delle linee di forza. L'ampiezza del campo magnetico e quindi l'intensità con la quale un ago magnetico viene deviato si può misurare mediante una bobina e misurata come corrente indotta.

1.2 Origine dei segnali EEG e MEG
Sebbene i potenziali più ampi generati dai neuroni, i potenziali d'azione, possano sembrare la fonte più ovvia dei potenziali elettrici e dei campi magnetici registrati da lontano, di fatto essi contribuiscono poco se non nulla ai potenziali registrabili dalla superficie cerebrale o addirittura dello scalpo. Difatti, i segnali EEG e MEG sono quasi esclusivamente prodotti dai potenziali postsinaptici (eccitatori o inibitori). Esistono due motivi principali: 1) l'ampiezza del campo elettrico e magnetico prodotto dalla propagazione di un potenziale d'azione diminuisce molto più rapidamente dell'ampiezza dei campi prodotti dai potenziali postsinaptici. 2) la durata dei potenziali d'azione è molto breve, nell'ordine di 1 msec, e per produrre un'attività registrabile in modo non invasivo si dovrebbe avere un alto livello di sincronizzazione tra i diversi neuroni. Anche una minima asincronia di pochi millisecondi renderebbe impossibile il sommarsi dei potenziali d'azione. D'altro canto, i flussi di correnti sinaptiche durano all'incirca da 10 a 40 msec e, visto che sono più lenti, anche in assenza di una perfetta sincronizzazione, questi potenziali possono sommarsi più efficacemente dei potenziali d'azione e creare differenze campi elettrici e magnetici abbastanza ampi di poter essere "visti" dall'esterno.
Riassumendo, i potenziali registrati dall'EEG ed campi magnetici misurabili con la MEG derivano dai flussi di corrente extracellulare e di corrente intracellulare generati dai potenziali postsinaptici (PPS) di diverse cellule corticali, che grazie alla loro relativa lunga durata (10-40 msec) riescono a sommarsi nel tempo, a differenza dei potenziali d'azione.

1.3 Correnti neuronali e campi elettromagnetici
L'arriv del potenziale d'azione da un neurone afferente causa la depolarizzazione della terminazione presinaptica, con conseguente apertura dei canali voltaggio-dipendenti per il Calcio e conseguente ingresso di Calcio nella terminazione. Ciò porta alla liberazione delle vescicole sinaptiche con la conseguente liberazione di neurotrasmettitori. La maggior parte di neurotrasmettitori diffonde fino ad incontrare i recettori postsinaptici. L'interazione del neurotrasmettitore col recettore postsinaptico permette il passaggio di ioni Sodio e Potassio, portando cosi' ad una variazione della concentrazioni ionica sia nello spazio extracellulare che intracellulare. Il movimento di ioni Sodio e Potassio attraverso la membrana postsinaptica (corrente transmembranaria) tende ad annullare il potenziale di membrana, portando alla depolarizzazione della membrana (PPSE: potenziale postsinaptico eccitatorio) che, se sufficientemente ampio, potrà innescare un potenziale d'azione.
La depolarizzazione della membrana dei dendriti apicali rende questo segmento elettronegativo rispetto al corpo cellulare ed ai dendriti basali che divengono elettropositivi. Ciò crea una corrente ionica (indicata dalla freccia) che scorre attraverso il mezzo extracellulare. E: corrente extracellulare
I: corrente intracellulare
T: corrente transmembranaria

La corrente transmembranaria generata dalla apertura dei canali sinaptici cerca di stabilire una situazione di equilibrio elettrico attraverso la membrana postsinaptica. Quindi, lo spazio extracellulare nei pressi della depolarizzazione si caricherà negativamente (elettronegativo) rispetto il corpo cellulare e i dendriti basali che diventeranno elettropositivi. Il campo elettrico risultante assumerà la classica distribuzione dipolare, con una "sorgente" corrispondente al picco elettropositivo e un "minimo", corrispondente al picco elettronegativo (sede del PPSE). Questo campo elettrico produrrà quindi un movimento di ioni nello spazio extracellulare che creerà una corrente ionica diretta, per convenzione, verso la sede degli EPSP (correnti extracellulari). D'altro canto, lo spazio intracellulare nei pressi della depolarizzazione si caricherà positivamente (elettropositivo) rispetto al corpo cellulare e i dendriti basali che diventeranno elettronegativi. Questo squilibrio verrà compensato da un movimento di cariche all'interno del neurone (correnti intracellulari).

Riassumendo: il PPSE prodotto dalle correnti transmembranarie ha come effetto due flussi netti di corrente, uno extracellulare e uno intracellulare. La somma delle correnti intra- e extracellulari è zero, ed esse rappresentano solo due aspetti dello stesso fenomeno bioelettrico: il flusso di correnti transmembranarie nell'area attivata.

1.4 Basi anatomiche
Schema generale dell'organizzazione di una colonna corticale.
Neuroni piramidali:
- Corpi cellulari a forma piramidale.
- Proiettano lunghi assoni ad altre regioni corticali o al midollo.
- I loro dendriti attraversano vari strati della corteccia e permettono una buona integrazione dei segnali afferenti.
- Sono orientati parallelamente e perpendicolari rispetto la superficie della corteccia		 Neuroni non-piramidali:
- Corpi cellulari a forma ovale.
- Proiettano corti assoni ad altri neuroni locali.
- Non hanno un orientamento preferenziale rispetto la superficie della corteccia.
La corteccia cerebrale contiene diversi tipi di cellule nervose che, in base alla loro morfologia, alla loro disposizione laminare e ai neurotrasmettitori che utilizzano, possono venire raggruppate in due classi principali. Un tipo particolare di cellula, la cellula piramidale, costituisce la prima delle due classida prendere in considerazione. Queste cellule, infatti, rappresentano con i loro corpi cellulari a forma piramidale, ma soprattutto con le loro molteplici connessioni, il costituente principale della corteccia cerebrale. Le cellule piramidali proiettano con i loro assoni ad altre regioni cerebrali ed al midollo spinale, sono neuroni eccitatori e costituiscono i principali neuroni di proiezione della corteccia cerebrale. I neuroni piramidali possiedono anche collaterali assoniche ricorrenti che proiettano localmente all'interno dell'area da cui originano. Alcune di queste collaterali possono decorrere per molti millimetri in piani paralleli agli strati corticali. Le connessioni stabilite dalle collaterali assoniche svolgono un importante ruolo funzionale nella genesi dell'attività elettrica globale degli aggregati neurali corticali. Queste cellule hanno un'organizzazione dendritica caratteristica che facilita l'integrazione dei vari segnali afferenti. Di fatto i loro dendriti apicali attraversano spesso diversi strati corticali e sono sempre orientati perpendicolarmente alla superficie corticale. Questa organizzazione anatomica fa sì che le afferenze provenienti dai diversi strati corticali raggiungano l'albero dendritico in punti diversi. La caratteristica fondamentale dei cellule piramidali è la loro disposizione corticale: esse sono orientate parallelamente l'una rispetto alle altre e i loro dendriti apicali decorrono perpendicolarmente alla superficie della corteccia.
L'altra classe di cellule presenti all'interno della corteccia cerebrale viene genericamente definita delle cellule non piramidali. Le cellule non piramidali possiedono corpi cellulari di forma ovale. In generale i loro assoni non lasciano la corteccia, ma terminano su neuroni vicini e per questa ragione vengono chiamate interneuroni. Dal punto di vista morfologico, gli interneuroni costituiscono una popolazione eterogenea. Il gruppo di gran lunga più numeroso è formato dalle cellule stellate. Un tipo di cellula stellata ha l'assone orientato in senso verticale, parallelamente alle cellule piramidali. Questi neuroni ricevono informazioni direttamente dai neuroni talamici e le ritrasmettono ad altri interneuroni o alle cellule piramidali vicine. Alcune cellule non piramidali hanno assoni orientati in senso orizzontale, nello stesso piano degli strati corticali. Un importante tipo di neurone con assone orizzontale è costituito dalla cellula a canestro, che forma fitte connessioni sinaptiche che avviluppano il soma dei neuroni postsinaptici (da cui il nome canestro). Le terminazioni delle cellule a canestro contengono grandi quantità di glutammico-decarbossilasi, che è l'enzima che catalizza la sintesi dell'acido g-aminobutirrico (GABA), neurotrasmettitore inibitorio. Si ritiene che le cellule a canestro siano le responsabili dell'inibizione pericolonnare, che consente ai neuroni di una colonna corticale di svolgere la propria funzione in maniera relativamente indipendente da quella svolta dalle colonne vicine.

1.5 Campi elettromagnetici e neuroni corticali
I neuroni piramidali sono disposti parallelamente e i loro campi elettromagnetici si possono sommare se attivati simultaneamente.
Un gruppo di neuroni piramidali attivi simultaneamente genera campi "aperti".		 I neuroni non-piramidali sono spesso disposti radialmente o con orientamenti casuali.
Un gruppo di neuroni non-piramidali attivi simultaneamente genera campi "chiusi".
I campi "chiusi" non sono registrabili dall'esterno.
In gruppo di neuroni, la distribuzione dei campi elettrico e magnetico prodotti in seguito a un potenziale postsinaptico dipende dalla geometria delle cellule, dalla loro organizzazione all'interno della corteccia e dalla conduttività del volume conduttore intorno all'area attiva. Come descritto precedentemente, i neuroni piramidali sono disposti parallelamente uno con l'altro e organizzati perpendicolarmente rispetto alla corteccia cerebrale. Quindi, l'attivazione simultanea di diversi neuroni piramidali produce dei flussi di corrente (e quindi campi elettrici e campi magnetici) che, data il loro simile orientamento, si possono sommare. I campi elettrici generati delle cellule piramidali sono campi "aperti" e quindi, se sincroni, possono sommarsi ed essere registrati mediante elettrodi posti sullo scalpo. Allo stesso modo, i campi magnetici generati dai diversi neuroni piramidali si sommano e posso essere registrati da sensori MEG. D'altro canto, strutture neuronali con elementi disposti radialmente o disposti con orientamenti casuali generano campi "chiusi", dove le correnti intra- e extracellulari non producono campi elettrici e magnetici all'esterno. In altre parole, l'orientamento casuale dei neuroni non piramidali fa sì che i campi dei singoli neuroni non si sommino. Riassumendo, dato la loro organizzazione corticale e la struttura intrinseca, i neuroni piramidali sono considerati i principali generatori dei segnali EEG e MEG.


2. Caratteristiche dei segnali EEG e MEG