Cos'è un treno di potenziali d'azione?

Un treno o una catena di potenziali d'azione (treno a punta in inglese) è una sequenza di registrazioni temporali in cui un neurone spara segnali elettrici o impulsi nervosi. Questa particolare forma di comunicazione tra neuroni è oggetto di interesse e di studio da parte della comunità neuroscientifica, anche se molte risposte restano ancora irrisolte.

In questo articolo vedremo cosa sono questi treni di potenziali d'azione, qual è la loro durata e struttura, in cosa consiste nel concetto di codifica neurale e in quale stato della ricerca si trova attualmente soggetto.

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Cos'è un treno di potenziali d'azione?

Per capire cosa sono i treni di potenziale d'azione, diamo prima un'occhiata a cosa consiste in un potenziale d'azione.

I nostri cervelli contengono circa centinaia di miliardi di neuroni che lanciano segnali per comunicare costantemente tra loro. Questi segnali sono di natura elettrochimica e viaggiano dal corpo cellulare di un neurone, attraverso il suo assone o neurite, al neurone successivo.

Ciascuno di questi segnali o impulsi elettrici è noto come potenziale d'azione. I potenziali d'azione si verificano in risposta a stimoli o spontaneamente, e ogni colpo dura in genere 1 millisecondo.

Un treno di potenziali d'azione è semplicemente una sequenza combinata di attivazione e non attivazione. Per facilitare la comprensione: immaginiamo una sequenza numerica di zeri e uno, come in un sistema binario; assegneremmo un 1 per il viaggio e uno 0 per il non viaggio. In tal caso, un treno di potenziali d'azione potrebbe essere codificato come una sequenza numerica, come ad esempio: 00111100. I primi due zeri rappresenterebbero il tempo di latenza tra la presentazione dello stimolo e la prima scarica o potenziale d'azione.

I potenziali treni d'azione possono essere generati attraverso input sensoriali diretti dalla vista, dal tatto, dal suono o dall'olfatto; E possono anche essere indotti da stimoli astratti innescati dall'uso di processi cognitivi come la memoria (evocando ricordi, per esempio).

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durata e struttura

La durata e la struttura di un treno di potenziali d'azione dipendono generalmente dall'intensità e dalla durata dello stimolo. Questi tipi di potenziali d'azione di solito durano e rimangono "attivi" finché lo stimolo è presente.

Tuttavia, alcuni neuroni hanno proprietà elettriche speciali che li inducono a produrre una risposta sostenuta a uno stimolo molto breve. In questo tipo di neuroni, gli stimoli di maggiore intensità tendono a provocare treni più lunghi di potenziali d'azione..

Quando i potenziali d'azione vengono ripetutamente registrati da un neurone in risposta a stimoli cambiando (o quando un organismo genera comportamenti diversi), tendono a mantenere una relazione relativamente stabile. Tuttavia, lo schema di attivazione di ciascun treno di potenziali d'azione varia al variare dello stimolo; Generalmente, la velocità con cui vengono sparati i colpi (rate of fire) cambia a seconda delle diverse condizioni.

codifica neurale

treni del potenziale d'azione sono stati e continuano ad essere di interesse per la comunità neuroscientifica, date le sue peculiarità. Molti ricercatori cercano di scoprire nei loro studi che tipo di informazione è codificata in questi potenziali d'azione e come i neuroni sono in grado di decodificarla.

La codifica neurale è un campo delle neuroscienze che studia come le informazioni sensoriali sono rappresentate nel nostro cervello per mezzo di reti neurali. I ricercatori incontrano spesso grandi difficoltà nel tentativo di decifrare i potenziali treni d'azione.

È difficile pensare a un treno di potenziali d'azione come a un dispositivo di output puramente binario.. I neuroni hanno una soglia minima di attivazione e si attivano solo se l'intensità dello stimolo è al di sopra di tale soglia. Se viene presentato uno stimolo costante, verrà generato un treno di potenziali d'azione. Tuttavia, la soglia di attivazione aumenterà nel tempo.

Quest'ultimo, che è ciò che viene chiamato adattamento sensoriale, lo è il risultato di processi come la desensibilizzazione sinaptica, una diminuzione della risposta allo stimolo costante prodotto a livello della sinapsi (la connessione chimica tra due neuroni).

Questo risultato porterà ad una riduzione dell'attivazione associata allo stimolo, che alla fine si azzererà. detto processo aiuta il cervello a non essere sovraccaricato di informazioni dall'ambiente che rimangono invariate. Ad esempio, quando dopo un po' smettiamo di annusare il profumo che abbiamo applicato o quando ci adattiamo a un rumore di fondo che inizialmente ci disturba.

Ricerca recente

Come già sappiamo, i neuroni comunicano attraverso la generazione di potenziali d'azione, che sono può diffondersi da un neurone (trasmittente o presinaptico) a un altro (ricevente o postsinaptico) attraverso il sinapsi. Pertanto, quando il neurone presinaptico genera il potenziale d'azione, il neurone postsinaptico è in grado di riceverlo e generare una risposta che, alla fine, può produrre un nuovo potenziale d'azione, in questo caso postsinaptico.

Diverse sequenze o treni di potenziali d'azione presinaptici generalmente producono diverse catene di potenziali d'azione postsinaptici. È per questo la comunità neuroscientifica ritiene che esista un "codice neurale" associato alla tempistica dei potenziali d'azione; cioè che lo stesso neurone potrebbe utilizzare diverse sequenze di potenziali d'azione per codificare, da parte sua, diversi tipi di informazioni.

D'altra parte, l'attività elettrica di un neurone è solitamente certamente variabile, ed è raramente interamente determinato dallo stimolo. Prima di successive ripetizioni dello stesso stimolo, il neurone risponderà ogni volta con una diversa catena di potenziali d'azione. Finora, i ricercatori non sono stati in grado di caratterizzare la risposta dei neuroni agli stimoli, né sono stati in grado di determinare chiaramente come vengono codificate le informazioni.

Quello che si era pensato fino ad ora è che tutta l'informazione immagazzinata in un treno di potenziali d'azione fosse codificata nella sua frequenza; cioè nel numero di potenziali d'azione che si verificano per unità di tempo. Ma negli ultimi anni si sta studiando la possibilità che gli istanti precisi in cui si verifica ogni potenziale d'azione possano contenere informazioni critiche e persino una “firma neurale”; cioè una sorta di pattern temporale che permetterebbe di identificare il neurone emittente.

Le indagini più recenti indicano la progettazione di un nuovo metodo che consentirebbe di caratterizzare a catena di potenziali d'azione basata sui tempi di ciascuno dei potenziali d'azione del Stesso. Applicando questa procedura, sarebbe possibile allineare le diverse sequenze e determinare quali potenziali d'azione sono equivalenti in ciascuna delle catene. E con queste informazioni, si potrebbe calcolare la distribuzione statistica che segue ogni potenziale d'azione in un ipotetico “treno ideale”..

Quel treno ideale di potenziali d'azione rappresenterebbe il modello comune, di cui ciascuno dei treni effettivi è solo una realizzazione concreta. Una volta caratterizzato, sarebbe possibile sapere se una nuova catena di potenziali d'azione potrebbe adattarsi o meno alla distribuzione, e quindi sapere se sta codificando la stessa informazione. Questo concetto del treno ideale potrebbe avere implicazioni interessanti per lo studio e l'interpretazione del codice neurale, nonché per rafforzare la teoria delle firme neurali.

Riferimenti bibliografici:

• Strong, SP, Koberle, R., de Ruyter van Steveninck. RR, Bialek, W. (1998). Entropia e informazioni nei treni di picchi neurali. Phys Rev Lett; 80: pagg. 197 - 200.