Lezione03

SCARICA RIPETITIVA
E
CODIFICA IN FREQUENZA
Quando uno stimolo depolarizzante perdura nel tempo un neurone può
dare origine ad una scarica ripetitiva nota anche come treno di PdA
La sequenza dei PdA nella scarica ripetitiva può essere organizzata in maniera tale da
rappresentare una sorta di linguaggio che permette ai neuroni di poter comunicare tra
di loro scambiandosi informazioni.
Ad esempio una scarica potrà essere caratterizzata da una sequanza di PdA la cui
frequenza potrà variare di momento in momento.
È fondamentale capire in che modo il neurone è capace di effettuare tale codifica in
frequenza, e quali sono i parametri che la possono modificare.
Il parametro più ovvio è l’entità dell’input eccitatorio che converge in un dato
momento su un determinato neurone.
CODIFICAZIONE
La frequenza della scarica ripetitiva neuronale dipende dall’intensità
dello stimolo depolarizzante
Scarica ripetitiva in un motoneurone di un
Il riflesso
miotatico
ganglio lombare in risposta ad uno stimolo
di corrente iniettata.
Neurone sensoriale
Scarica tonica
fibra intrafusale a
catena di nuclei
Quando la soglia viene raggiunta viene
generato il primo potenziale d’azione.
Mantenendo costante il livello di corrente
iniettata, il motoneurone genera una
scaricare
con un ritmo costante.
Motoneurone
L’input più basso di corrente (1) genera una scarica a 20 Hz (i PdA sono separati
da intervalli di 50 ms), mentre l’input più alto (2) genera una scarica a 67 Hz (i
PdA sono separati da intervalli di 15 ms).
● Si assiste ad una scarica ripetitiva che in presenza di una stimolazione costante
tende ad avere una frequenza costante.
● Inoltre la frequenza di scarica è correlata al livello di input (corrente iniettata).
La frequenza della scarica ripetitiva di PdA dipende
dall’entità dello stimolo depolarizzante
Relazione corrente/frequenza del neurone.
La frequenza di scarica è posta in funzione della corrente depolarizzante che
viene iniettata. Qui tale relazione è lineare.
Vedremo più avanrti che in realtà la maggior parte dei neuroni mostra una
relazione intensità/frequenza non lineare.
Parametri significativi che aiutano a definire la capacità del neurone
di codificare in frequenza
1) Reobase: è il minimo livello di corrente necessaria per evocare almeno un
potenziale d’azione.
La reobase dipende a sua volta da due fattori:
• Dal potenziale soglia al quale il PdA può essere generato (la maggior parte dei
neuroni ha un livello di soglia intorno a -50/-40mV) – è una proprietà attiva del
neurone;
• Dalla resistenza a riposo della membrana del neurone (Rm): per la legge di ohm,
maggiore è Rm, più piccola è la corrente che occorre per raggiungere il potenziale
soglia – è una proprietà passiva del neurone.
Iin=DV/Rm
DVsoglia=Iin·Rm
Parametri significativi che aiutano a definire la capacità del neurone di
codificare in frequenza
2) Frequenza di scarica minima: è quella che si riscontra con una stimolazione a
livello della reobase; la frequenza di scarica seppur bassa, sarà però sempre
ripetitiva.
3) Frequenza di scarica massima: frequenza oltre la quale non è possibile andare
per quanto si aumenti il livello di corrente depolarizzante; non si potrà mai superare
il periodo di refrattarietà assoluta, che costituisce un limite superiore non valicabile
dell’intervallo di scarica.
f
fmax
fmin
I
I0
Imax
Parametri significativi che aiutano a definire la capacità del neurone di
codificare in frequenza
4) Pendenza della relazione input-output
Qualora la relazione corrente/frequenza sia lineare, è la relazione che intercorre tra la
frequenza di scarica presinaptica e quella postsinaptica. Dal momento che la frequenza
di scarica presinaptica si converte in una depolarizzazione post-sinaptica, essa di fatto
corrisponde allo stimolo post-sinaptico; per traslato la relazione input- output
corrisponde al grafico corrente-frequenza.
La pendenza della relazione corrente/frequenza è definibile come il guadagno G del
processo di trasduzione: indica la sensibilità della risposta in frequenza all’aumento
della corrente di stimolo.
f
G
I
I0
Basi ioniche della codifica in frequenza
Alla fase di depolarizzazione e ripolarizzazione del potenziale
d’azione segue una fase di rapida iperpolarizzazione che viene
chiamata anche f-AHP (fast after-hiperpolarization o
iperpolarizzazione postuma rapida). Essa è dovuta
all’apertura di canali del K+ VD. Quando poi anche tali canali
si chiudono, il potenziale tende a risalire verso il valore di
soglia (se lo stimolo perdura nel tempo).
Durante una scarica ripetitiva, quanto ci mette il potenziale a raggiungere la soglia a
partire dal picco di iperpolarizzazione postuma?
Tale intervallo temporale è importante perché determinerà la frequenza di scarica.
La frequenza di scarica può essere variata al variare dell’intensità dello stimolo dalla
presenza di una particolare conduttanza al potassio definita KA, permettendo una
codificazione in frequenza.
Tale conduttanza non è presente nell’assone isolato dove infatti una codificazione in
frequenza non è possibile.
La conduttanza KA non è presente a livello dell’assone isolato
che infatti non codifica in frequenza
A: tracciati simulati della
scarica ripetitiva di potenziali
d’azione generati dal modello
di Hodgkin e Huxley
dell’assone gigante di calamaro
in risposta a livelli crescenti
della densità di corrente di
stimolo (J).
B: grafico della frequenza di
scarica stazionaria in funzione
di J. Si noti che un aumento di
10 volte di J si accompagna a
un aumento della frequenza di
solo 2 volte. Si noti anche
l’elevato valore della frequenza
di scarica già all’intensità di
corrente “soglia”.
La corrente KA ha proprietà diverse rispetto alla corrente delay rectifier
IA è una corrente inattivante
Isolamento della corrente IA a livello dei
neuroni dell’area CA3 dell’ippocampo.
La corrente IA può essere isolata
(pannello C) sottraendo la corrente di K+
registrata applicando il protocollo in (B)
da quella ottenuta col protocollo in (A).
Subtraction
(A - B)
Proprietà della IA
1.
2.
3.
4.
Soglia di attivazione più bassa rispetto alle correnti di tipo delayed rectifier
Inattivazione voltaggio-dipendente
Inattivazione tempo-dipendente relativamente rapida
Reclutabile solo a partire da potenziali di membrana relativamente negativi
(come conseguenza dei punti (2) e (3)
Intervento della IA nella fase interspike della scarica ripetitiva neuronale
A: Scarica di PdA in un neurone
durante stimolazione con una
corrente depolarizzante di 1.6 nA
e ricostruzione tramite
simulazione al computer.
B: Andamento temporale delle
correnti entrante (INa) e uscente
delayed-rectifier (IKd) e della IA
durante lo sviluppo del PdA in
(A).
La IA comincia ad attivarsi massimamente dopo la fase di iperpolarizzazione
postuma perché i canali KA risultano attivabili solo dopo che la membrana è stata
sufficientemente iperpolarizzata
Esempi di scariche di potenziali d’azione generate in un encoder in
risposta a due stimoli depolarizzanti di diversa intensità
L’effetto della corrente IA è tanto più rapidamente compensato quanto più lo
stimolo è intenso (B): coerentemente, la frequenza della scarica ripetitiva è
maggiore. La durata delle correnti INa ed IKd è invece molto simile nei due casi.
I casi in cui la relazione I-f è lineare sono abbastanza rari. Di solito i
neuroni presentano una relazione stimolo-frequenza più complessa.
Range
secondario
Esempio di andamento bifasico della
relazione stimolo-frequenza.
Si distinguono due diverse pendenze:
Range
primario
- un range primario, dove a bassi livelli di
corrente stimolante si osserva una iniziale
pendenza del grafico;
- un range secondario, che vige per livelli di
corrente depolarizzante maggiori.
Il renge primario corrisponde alla situazione in cui un motoneurone tende a mantenere
un livello di contrazione basale delle fibre muscolari dell’unità motoria.
Il range secondario insorge al di sopra di un certo valore critico dello stimolo, a partire
dal quale il livello di scarica aumenta molto di più per generare più forza
(contrazione volontaria).
In certi neuroni può insorgere una relazione bilineare stimolo-frequenza
in cui il range secondario presenta una pendenza minore del primario
A: un neurone di relay talamico genera una scarica tonica di potenziali d’azione se
stimolato con un gradino di corrente depolarizzante prolungato a partire dal suo
potenziale di riposo. B: relazione f-I per il neurone illustrato in (A), mantenuto al suo
potenziale di riposo. Si noti l’andamento bilineare della funzione di trasferimento.
L’esistenza di un range secondario con pendenza inferiore al primario,
serve ad estendere il range dinamico codificato.
f
fmax
I
I0
Imax
Imax2
Quando la pendenza del range secondario è
inferiore a quella del primario, ci si avvicina
ad una codifica di tipo logaritmico: utile
perché mette in relazione gli aumenti della
frequenza di scarica non con gli aumenti
assoluti del livello di stimolazione ma con
quelli relativi.
RANGE DINAMICO l’intervallo di stimolazione nell’ambito del quale una
variazione dell’intensità dello stimolo determina una variazione della frequenza di
scarica
Per estendere il range dinamico di un neurone occorre ridurre la sensibilità del
sistema. Ciò è realizzabile con una relazione stimolo-frequenza che presenti un
andamento bifasico dove il range secondario ha pendenza minore del primario.
(linea rossa del grafico) In questo modo è possibile aumentare il range dinamico.
Quando la pendenza del range secondario è inferiore a quella del
primario, ci si avvicina ad una codifica di tipo logaritmico: utile perché
mette in relazione gli aumenti della frequenza di scarica non con gli
aumenti assoluti del livello di stimolazione ma con quelli relativi.
La "legge" di Weber e Fechner
La conversione INTENSITÀ  FREQUENZA avviene su scala logaritmica:
f=K ln(I/Io)
14
f≡frequenza dei PdA
I≡intensità effettiva dello stimolo
Io≡intensità dello stimolo soglia
f=Kln(I/Io)
12
40 10
f
8
f
30
20
6
4
2
10
0
0
0
-100
100
2
300
4
500
6
I/Io
700
I/Io
8
900
1100
10
1300
1500
Il sistema sensoriale uditivo funziona in maniera tale da variare la frequenza non in
funzione della variazione assoluta dello stimolo uditivo ma in funzione degli aumenti
relativi. In questo modo vengono estesi gli intervalli di codificazione.
Limiti in frequenza udito umano
• tendenzialmente da 20 a 20000 Hz (20 kHz)
Io=20 Hz
IMax=20000 Hz
IMax/Io=1000
Se la frequenza di scarica fosse f=IMax/Io, per codificare un segnale a 20000 Hz,
occorrerebbe generare un treno di PdA avente una frequenza di 1000/s ovvero
un PdA/ms, il che è impossibile dal momento che tra un PdA e l’altro intercorre
un periodo di refrattarietà di circa 10 ms.
Quindi, senza una relazione di tipo logaritmico tra f (frequenza di scarica) e
intensità normalizzata dello stimolo, il limite superiore di frequenze percettibili
sarebbe di soli 2000 Hz anziché 20000 Hz (Infatti: 2000/20=100 Hz→10 ms
Significati della presenza di diversi range di firing nella relazione
input-output
■ Gain del range II > gain del range I  viene amplificata la risposta
per livelli elevati di eccitazione.
Es. - Motoneuroni: basso livello di eccitazione (tono basale) vs. alto
livello di eccitazione (movimento volontario)
■ Gain del range II < gain del range I  viene esteso il range dinamico
codificato.
Es. - Input sensoriali: estensione degli intervalli di codificazione