Come si attivano i neuroni: il potenziale d'azione spiegato

Nell'estate del 1949, su un pontone di laboratorio galleggiante al Plymouth Marine Biological Laboratory nel Devon, due fisiologi erano chini su una camera refrigerata che conteneva un pezzo di calamaro appena dissezionato. Alan Hodgkin e Andrew Huxley avevano accanto un voltage clamp costruito in casa che si stava scaldando e una singola fibra nervosa, proveniente dal ganglio stellato di un calamaro, sospesa in acqua di mare fredda. Era un allestimento poco affascinante, fatto di schizzi salati ed elettronica improvvisata, eppure nel corso delle tre estati successive avrebbe prodotto la prima teoria quantitativa di come funziona davvero un impulso nervoso. I cinque articoli che pubblicarono nel 1952 sul Journal of Physiology valsero loro il Premio Nobel nel 1963, condiviso con John Eccles.

Quello che stavano inseguendo era qualcosa da cui ogni animale dotato di sistema nervoso dipende, secondo dopo secondo, e che quasi nessuno aveva mai misurato direttamente. Quando ti ritrai da un fornello rovente, quando il tuo cuore batte, quando leggi questa frase, l'evento sottostante è lo stesso: un breve impulso elettrico che corre lungo tutta la lunghezza di una cellula nervosa. La domanda a cui Hodgkin e Huxley risposero è ingannevolmente semplice da porre ed è stata diabolicamente difficile da risolvere. Come fa una cellula vivente, fatta di membrana grassa e acqua salata, a generare e propagare un segnale elettrico senza perderlo lungo il percorso?

Una scarica che si rifiuta di svanire

L'impulso che stavano studiando ha un nome: il potenziale d'azione. È una breve scarica di tensione, stereotipata e di tipo tutto o niente, che viaggia lungo l'assone di un neurone senza indebolirsi, per quanto lontano debba andare. È proprio quest'ultima proprietà a essere notevole. Se invii un comune segnale elettrico lungo un cavo umido e con perdite come una fibra nervosa, esso svanisce nel giro di millimetri. Il potenziale d'azione non svanisce. Si rigenera a ogni passo, arrivando all'estremità opposta di un assone lungo un metro tanto forte quanto era partito.

Un neurone a riposo si trova a circa meno 70 millivolt, il che significa che l'interno della cellula è carico negativamente rispetto all'esterno. Quando la membrana viene spinta fino a una soglia vicina a meno 55 millivolt, accade qualcosa di drammatico: la tensione schizza fino a un picco intorno a più 30 millivolt e poi crolla di nuovo verso il basso, e l'intero evento dura solo uno o due millisecondi. Quella è la scarica. È la valuta fondamentale del cervello, e ogni pensiero, sensazione e movimento che tu abbia mai avuto è codificato in schemi di questi impulsi della durata di un millisecondo.

La parola stereotipato è importante. Ogni potenziale d'azione in un dato assone ha un aspetto essenzialmente identico. Il neurone non segnala uno stimolo più forte con una scarica più grande, lo segnala con un numero maggiore di scariche, emesse più di frequente. L'informazione nel sistema nervoso non è trasportata dalla dimensione di ogni impulso, ma dalla loro tempistica e dalla loro frequenza.

Perché un calamaro ha risolto il problema

Per misurare ciò che accade durante una scarica bisogna inserire un elettrodo all'interno della cellula, e negli anni Trenta le fibre nervose che i fisiologi conoscevano erano impossibilmente sottili. La svolta fu zoologica più che tecnica. Il calamaro, a quanto pare, possiede un piccolo numero di assoni giganti che controllano la rapida fuga a propulsione a getto che usa per sfuggire ai predatori. In Loligo forbesii, la specie con cui lavorarono Hodgkin e Huxley, questi assoni raggiungono un diametro di circa 500 micrometri, all'incirca mezzo millimetro, centinaia di volte più larghi di una fibra nervosa di mammifero.

Quella larghezza cambiò tutto. Un assone di quelle dimensioni è abbastanza grande da permettere di infilare un sottile elettrodo a filo dritto lungo il suo nucleo, consentendo agli sperimentatori di misurare e persino controllare la tensione attraverso la membrana dall'interno. Hodgkin e Huxley effettuarono registrazioni dall'assone gigante del calamaro a Plymouth dalla fine degli anni Trenta fino ai primi anni Cinquanta, con il lavoro interrotto a metà dalla Seconda Guerra Mondiale, durante la quale entrambi prestarono servizio nella ricerca sui radar. Quando tornarono al bancone di laboratorio, portarono con sé il voltage clamp, un circuito elettronico a retroazione che mantiene la membrana a una tensione scelta e riporta esattamente quanta corrente fluisce in risposta. Variando la tensione a gradini su valori diversi e osservando le correnti, riuscirono a separare i diversi contributi ionici nascosti all'interno della singola scarica.

Le quattro fasi di una singola scarica

Ciò che scoprirono fu che il potenziale d'azione non è un singolo evento, ma una sequenza accuratamente coreografata di quattro fasi, ciascuna guidata da ioni che si muovono attraverso pori controllati nella membrana, chiamati canali ionici voltaggio-dipendenti. Questi canali si aprono e si chiudono in risposta alla tensione stessa, ed è questa la chiave di tutto il trucco dell'autorigenerazione.

La prima fase è la depolarizzazione. Quando la membrana raggiunge la soglia, i canali del sodio voltaggio-dipendenti si spalancano di scatto, e gli ioni sodio, che sono molto più concentrati all'esterno della cellula che all'interno, si precipitano verso l'interno. Ogni ione sodio che entra rende l'interno più positivo, il che apre ancora più canali del sodio, il che lascia entrare ancora più sodio. Quel ciclo che si autoalimenta spinge la tensione verso l'alto a una velocità impressionante.

La seconda fase è il picco, raggiunto intorno a più 30 millivolt. Qui i canali del sodio fanno qualcosa di astuto: si inattivano. Una porta molecolare incorporata si chiude di colpo e tappa il canale, arrestando l'inondazione di sodio anche se il canale non si è ancora chiuso del tutto. La scarica smette di salire.

La terza fase è la ripolarizzazione. I canali del potassio voltaggio-dipendenti, più lenti, che avevano cominciato ad aprirsi mentre la tensione saliva, ora trasportano gli ioni potassio verso l'esterno. Poiché il potassio è più concentrato all'interno della cellula, esce, e ogni ione potassio che se ne va rende di nuovo l'interno più negativo, trascinando la membrana di nuovo verso il basso, verso il riposo.

La quarta fase è l'iperpolarizzazione postuma. I canali del potassio sono lenti a chiudersi, perciò per un breve istante lasciano uscire un po' troppo potassio, facendo scendere la tensione leggermente al di sotto del livello di riposo prima che tutto si riassesti di nuovo a meno 70 millivolt. La pompa sodio-potassio e i normali gradienti ionici ripristinano poi in silenzio l'equilibrio originale, pronti per la scarica successiva.

La soglia e la regola del tutto o niente

Il numero più importante in assoluto di questa storia è la soglia, vicina a meno 55 millivolt. È il punto di non ritorno in cui la corrente di sodio in entrata supera per la prima volta la perdita di potassio in uscita, il momento in cui la retroazione positiva prende il sopravvento e la scarica diventa inevitabile. Al di sotto della soglia, uno stimolo produce solo una piccola oscillazione locale della tensione che decade tornando al riposo; nulla si propaga. Alla soglia o al di sopra di essa, il ciclo del sodio sfugge a ogni controllo e una scarica del potenziale d'azione si attiva a piena ampiezza.

Questa è l'origine della regola del tutto o niente, un principio che Edgar Adrian e Keith Lucas avevano esteso dal muscolo al nervo già nel 1912, decenni prima che qualcuno potesse spiegarlo a livello di meccanismo. Un neurone o emette una scarica completa o non emette nulla, senza vie di mezzo nel mezzo. Uno stimolo appena al di sopra della soglia produce esattamente la stessa scarica di uno molto al di sopra di essa. Il neurone è, in questo senso, un dispositivo digitale costruito con componenti analogiche, e la cinetica dei canali di Hodgkin e Huxley mostrò finalmente perché la soglia e il comportamento del tutto o niente emergono dalla fisica della membrana.

Vale la pena tenere insieme in un unico punto alcuni dei loro numeri principali, perché nel complesso tracciano l'intero evento: soglia vicina a meno 55 millivolt, picco vicino a più 30 millivolt, canali del sodio aperti da circa zero a due millisecondi dall'inizio della scarica, canali del potassio aperti da circa uno a quattro millisecondi, un periodo refrattario assoluto di uno o due millisecondi e, nelle fibre più veloci, velocità di conduzione che si avvicinano ai 120 metri al secondo.

Periodi refrattari e la direzione della conduzione

Dopo ogni potenziale d'azione, i canali del sodio inattivati non possono riaprirsi per circa uno o due millisecondi, per quanto forte sia lo stimolo. Questo intervallo è il periodo refrattario assoluto, e svolge due compiti essenziali. Primo, fissa un tetto a quanto rapidamente un neurone può attivarsi, limitando la frequenza di scarica massima di un assone a circa 500-1.000 hertz. Secondo, e in modo più sottile, conferisce al potenziale d'azione una direzione.

Mentre una scarica viaggia lungo un assone, il tratto di membrana subito dietro di essa viene lasciato nello stato refrattario, con i suoi canali del sodio temporaneamente bloccati in posizione chiusa. La scarica non può quindi tornare indietro e rieccitare la regione da cui è appena arrivata; può solo spingersi in avanti, in una membrana che è ancora a riposo e pronta. Il periodo refrattario è ciò che rende la conduzione nervosa una strada a senso unico, garantendo che i segnali avanzino dal corpo cellulare verso i terminali invece di sciabordare avanti e indietro.

Saltare tra i nodi

C'è ancora un altro trucco che i vertebrati hanno sviluppato per rendere la conduzione più veloce, e trasforma la propagazione tranquilla dell'assone del calamaro in qualcosa di molto più rapido. Molti dei nostri assoni sono avvolti nella mielina, una guaina isolante grassa deposta dalle cellule gliali di supporto, con l'avvolgimento interrotto a intervalli regolari da minuscoli spazi nudi chiamati nodi di Ranvier.

I canali del sodio voltaggio-dipendenti si raggruppano fittamente in corrispondenza di questi nodi, mentre i lunghi tratti di membrana sepolti sotto la mielina sono elettricamente silenti. Invece di rigenerarsi in modo continuo lungo ogni micrometro di membrana, il potenziale d'azione di fatto salta da un nodo al successivo, una modalità di propagazione nota come conduzione saltatoria, dal latino saltare, balzare. Poiché il segnale deve essere ricostruito solo in corrispondenza dei nodi distanziati tra loro anziché ovunque, viaggia in modo notevolmente più veloce, raggiungendo velocità di picco di circa 120 metri al secondo nelle fibre motorie A-alfa più veloci che azionano i tuoi muscoli. Sono all'incirca 270 miglia orarie, ed è per questo che riesci a togliere di scatto la mano da una padella rovente prima ancora di percepire consapevolmente la scottatura.

Da un nervo di rana a un singolo canale

La scoperta del potenziale d'azione è un lungo arco che attraversa buona parte del Novecento, e ogni capitolo ne ha affinato la risoluzione. Adrian e Lucas stabilirono la regola del tutto o niente per il nervo nel 1912, lavorando con nervi interi e registrazioni grossolane. Hodgkin e Huxley quantificarono la scarica del calamaro nel 1952 e vinsero il Nobel nel 1963, modellando le correnti di membrana con equazioni così accurate che il loro formalismo viene ancora insegnato e simulato oggi. Poi, nel 1976, Erwin Neher e Bert Sakmann inventarono il patch clamp, una tecnica abbastanza delicata da registrare la corrente che attraversa un singolo canale ionico, proprio quelle porte molecolari che Hodgkin e Huxley avevano dedotto ma mai visto. Quel lavoro si guadagnò il suo Nobel nel 1991, chiudendo il cerchio dal nervo intero alla singola molecola.

La posta in gioco clinica di tutto questo diventa lampante quando il meccanismo si guasta. I geni che codificano i canali del sodio e del potassio voltaggio-dipendenti possono portare mutazioni, e quando lo fanno il risultato è un disturbo ereditario dell'eccitabilità chiamato canalopatia. Alcune mutazioni dei canali del sodio sono alla base di particolari forme di epilessia e di rare sindromi dolorose ereditarie; le mutazioni dei canali del potassio sono implicate nell'atassia episodica e nelle aritmie cardiache da QT lungo, dove una ripolarizzazione difettosa nel muscolo cardiaco può rivelarsi pericolosa. La stessa fisica che permette a un neurone di attivarsi, quando è leggermente mal cablata, può produrre una crisi epilettica o un battito cardiaco saltato, il che è un monito che fa riflettere su quanto dipenda da pochi millisecondi di flusso ionico.

Punti chiave

Il potenziale d'azione è una breve scarica di tensione di tipo tutto o niente, lunga circa uno o due millisecondi, che si propaga lungo un assone senza indebolirsi, ed è il segnale fondamentale dell'intero sistema nervoso. Si attiva solo quando la membrana viene spinta oltre una soglia vicina a meno 55 millivolt, punto in cui i canali del sodio voltaggio-dipendenti si aprono e portano l'interno della cellula da un valore di riposo di meno 70 millivolt fino a un picco vicino a più 30 millivolt; i canali del sodio si inattivano poi mentre i canali del potassio, più lenti, si aprono e riportano la membrana verso il basso attraverso la ripolarizzazione e una breve iperpolarizzazione postuma. Un periodo refrattario assoluto di uno o due millisecondi, causato dall'inattivazione dei canali del sodio, fissa al tempo stesso un tetto alla frequenza di scarica intorno a 500-1.000 hertz e costringe la scarica a viaggiare in una sola direzione, mentre la mielina e la conduzione saltatoria tra i nodi di Ranvier spingono i segnali più veloci a circa 120 metri al secondo. Alan Hodgkin e Andrew Huxley misero a punto tutto questo sull'assone gigante da mezzo millimetro del calamaro a Plymouth, pubblicando il loro modello quantitativo nel 1952, e la lunga catena di scoperte, da Adrian e Lucas nel 1912 fino alle registrazioni con il patch clamp di Neher e Sakmann nel 1976, mostra sia come funziona un singolo impulso nervoso, sia quanto la salute umana dipenda dal far andare per il verso giusto quei millisecondi.