Prepulso depolarizzante: cos’è, stimolo elettrico

Un preimpulso depolarizzante (DPP) è uno stimolo elettrico che fa sì che la differenza di potenziale misurata attraverso una membrana neuronale diventi più positiva o meno negativa e precede un altro stimolo elettrico. I DPP possono essere della varietà di stimolo di tensione o di corrente e sono stati utilizzati per inibire l’attività neurale, eccitare selettivamente i neuroni, e aumentare la soglia del dolore associato alla resistenza elettrocutanea.

Meccanismi biofisici

Modello di Hodgkin-Huxley

Un’illustrazione del modello di canale Na + standard di Hodgkin – Huxley

Variabili di attivazione di Hodgkin-Huxley
Costanti di tempo H&H
Riassunto dei valori originali riportati da Hodgkin e Huxley

I potenziali d’azione tipici sono avviati dai canali del sodio voltaggio-dipendenti . All’aumentare del voltaggio transmembrana, aumenta la probabilità che un dato canale del sodio voltaggio-dipendente sia aperto, consentendo così un afflusso di ioni Na + . Una volta che l’afflusso di sodio diventa maggiore del deflusso di potassio, un circuito di feedback positivo dell’ingresso di sodio viene chiuso e quindi viene attivato un potenziale d’azione.

All’inizio degli anni ’50 i dott. Hodgkin e Huxley hanno eseguito esperimenti sull’assone gigante del calamaro e nel processo hanno sviluppato un modello (il modello Hodgkin-Huxley ) per la conduzione del canale del sodio. Si è scoperto che la conduzione può essere espressa come:

{\displaystyle {g}_{Na^{+}}={\bar {g}}_{Na^{+}}m^{3}h,}

dove{\displaystyle {\bar {g}}_{Na^{+}}}è la massima conduttanza del sodio, m è la porta di attivazione e h è la porta di inattivazione (entrambe le porte sono mostrate nell’immagine adiacente). I valori di m e h variano tra 0 e 1, a seconda del potenziale transmembrana.

Risposta di tensione transmembrana di un nodo mammifero di Ranvier bloccato nello spazio

All’aumentare del potenziale transmembrana , il valore di m aumenta, aumentando così la probabilità che la porta di attivazione sia aperta. E quando il potenziale transmembrana diminuisce, il valore di h aumenta, insieme alla probabilità che il cancello di inattivazione sia aperto. La velocità di variazione per una porta h è molto più lenta di quella di una porta m , quindi se si fa precedere una stimolazione di tensione sotto soglia con un preimpulso iperpolarizzante , il valore di h può essere temporaneamente aumentato, consentendo al neurone di attivare un potenziale d’azione .

Viceversa, se si fa precedere ad una stimolazione di voltaggio sopra-soglia un prepulse depolarizzante , il valore di h può essere temporaneamente ridotto, consentendo l’inibizione del neurone. Un’illustrazione di come la risposta della tensione transmembrana a uno stimolo sopra-soglia può differire, in base alla presenza di un preimpulso depolarizzante, può essere osservata nell’immagine adiacente.

Il modello di Hodgkin-Huxley è leggermente impreciso in quanto elude alcune dipendenze, ad esempio il cancello di inattivazione non dovrebbe essere in grado di chiudersi a meno che il cancello di attivazione non sia aperto e il cancello di inattivazione, una volta chiuso, si trovi all’interno della membrana cellulare dove non può essere direttamente influenzato dal potenziale transmembrana. Tuttavia, questo modello è utile per ottenere una comprensione di alto livello dei prepulsi iperpolarizzanti e depolarizzanti. La depolarizzazione dei neuroni crea un risultato più probabile dell’attivazione dei neuroni.

Canale del sodio voltaggio-dipendente

Schema di una subunità α del canale del sodio sensibile alla tensione. G – glicosilazione , P – fosforilazione , S – selettività ionica, I – inattivazione, cariche positive (+) in S4 sono importanti per il rilevamento della tensione transmembrana.

Da quando il modello Hodgkin-Huxley è stato proposto per la prima volta negli anni ’50, si è appreso molto riguardo alla struttura e alla funzionalità dei canali del sodio voltaggio-dipendenti . Sebbene l’esatta struttura tridimensionale del canale del sodio rimanga sconosciuta, la sua composizione e la funzionalità dei singoli componenti sono state determinate. I canali del sodio voltaggio-dipendenti sono grandi complessi multimerici , composti da una singola subunità α e una o più subunità β, un’illustrazione dei quali può essere osservata nell’immagine adiacente. La subunità α si ripiega in quattro domini omologhi, ognuno dei quali contiene sei segmenti transmembrana elicoidali α. La S4i segmenti di ciascun dominio fungono da sensori di tensione per l’attivazione. Ogni segmento S 4 è costituito da una struttura ripetuta di un residuo caricato positivamente e due residui idrofobici , e questi si combinano per formare una disposizione elicoidale. Quando il canale è depolarizzato , questi segmenti S4 subiscono un cambiamento conformazionale che allarga la disposizione elicoidale e apre il poro del canale del sodio. Entro millisecondi dall’apertura del poro, l’ansa intracellulare che collega i domini III e IV si lega al poro intracellulare del canale, inattivandolo. Pertanto, fornendo un preimpulso depolarizzante prima di uno stimolo, vi è una maggiore probabilità che i domini inattivanti dei canali del sodio si siano legati ai rispettivi pori, riducendo l’afflusso di sodio indotto dallo stimolo e l’influenza dello stimolo.

Proprietà del prepulso depolarizzante

Durata DPP

La relazione tra la durata del DPP e il reclutamento neuronale è la seguente. Se la durata del DPP è relativamente breve, vale a dire molto inferiore a 100 μs, allora la soglia di eccitazione per i nervi circostanti sarà diminuita anziché aumentata. Forse derivante dalla depolarizzazione dei segmenti S 4 e dal poco tempo concesso per l’inattivazione. Per i DPP di lunga durata, i domini III e IV dei canali del sodio (discussi sopra) hanno più tempo per legarsi con i rispettivi pori del canale, quindi si osserva che la corrente di soglia aumenta con l’aumentare della durata del DPP.

Ampiezza DPP

Man mano che l’ampiezza DPP viene aumentata da zero a quasi soglia, anche il conseguente aumento della corrente di soglia aumenterà. Questo perché l’ampiezza maggiore attiva più canali del sodio, consentendo così a più canali di essere inattivati ​​dai loro domini III e IV.

Ritardo interfase DPP

Un aumento del ritardo tra il DPP e lo stimolo fornisce più tempo durante il quale i segmenti del canale del sodio S 4 possono chiudersi ei domini III e IV possono staccarsi dai rispettivi pori. Pertanto, un aumento del ritardo interfase DPP ridurrà l’effettivo aumento della corrente di soglia, indotto dal DPP.

Applicazioni depolarizzanti del prepulse

Elevare le soglie del dolore

Un’applicazione immediata per la depolarizzazione dei prepulsi, esplorata dai Drs. Poletto e Van Doren, è quello di elevare le soglie del dolore associate alla stimolazione elettrocutanea. La stimolazione elettrocutanea possiede un grande potenziale come meccanismo per la trasmissione di informazioni sensoriali aggiuntive. Quindi, questo metodo di stimolazione può essere applicato direttamente a campi come la realtà virtuale , la sostituzione sensoriale e l’aumento sensoriale. Tuttavia, molte di queste applicazioni richiedono l’uso di piccoli array di elettrodi , la cui stimolazione è spesso dolorosa, limitando così l’utilità di questa tecnologia. Il setup sperimentale, costruito dai Drs. Poletto e Van Doren, era il seguente:

Proporzioni medie degli stimoli percepiti come dolorosi rispetto allo stimolo prepulso

  • 4 soggetti umani, ciascuno dei quali aveva dimostrato la capacità di fornire giudizi affidabili sul dolore in studi precedenti
  • il dito medio sinistro poggia su un disco di elettrodi in acciaio inossidabile lucidato del diametro di 1 mm
  • un singolo stimolo consisteva in una raffica di tre coppie identiche di preimpulso e stimolo-impulso, presentate all’inizio, a metà e alla fine di un intervallo di 1 secondo
  • le larghezze prepulse e stim-pulse sono state abbinate a una durata di 10 millisecondi in modo che le soglie fossero le stesse per entrambi
  • utilizzato variabili prepulse ampiezze di 0%, 79%, 63%, 50%, 40% e 32% in modo da studiare la loro influenza sul dolore sperimentato
  • gli esperimenti sono stati condotti in modo tale che lo stimolo, senza preimpulso, fosse doloroso per circa la metà del tempo; questo è stato ottenuto aumentando e diminuendo l’ampiezza dell’impulso di stimolo per la prova successiva, in base al fatto che fosse segnalato come doloroso

I loro risultati hanno dimostrato che un prepulse prima di un impulso di stimolo riduce efficacemente la probabilità che si provi dolore a causa della stimolazione elettrocutanea. Abbastanza sorprendentemente, un prepulse del 32% dell’ampiezza del polso di stimolo era in grado di quasi la metà della probabilità di provare dolore. Pertanto, in ambienti in cui la soglia del dolore è difficile da discernere, può essere sufficiente erogare un prepulse di ampiezza relativamente bassa prima dello stimolo per ottenere gli effetti desiderati.

Ordine di reclutamento delle fibre nervose

Sulla base dei dati presentati in

Oltre ad inibire l’eccitabilità neurale, è stato osservato che precedere uno stimolo elettrico con un prepulse depolarizzante permette di invertire la relazione corrente-distanza che controlla la fibra nervosareclutamento, dove la relazione corrente-distanza descrive come la corrente di soglia per l’eccitazione della fibra nervosa è proporzionale al quadrato della distanza tra la fibra nervosa e l’elettrodo. Pertanto, se la regione di influenza per il prepulse depolarizzante è inferiore a quella per lo stimolo, le fibre nervose più vicine all’elettrodo sperimenteranno un aumento maggiore della loro corrente di soglia per l’eccitazione. Pertanto, in presenza di tale stimolo, le fibre nervose più vicine all’elettrodo possono essere inibite, mentre quelle più lontane possono essere eccitate. Una simulazione di questa stimolazione, costruita da Drs. Warren Grill e J. Thomas Mortimer, possono essere osservati nell’immagine adiacente. Basandosi su questo, uno stimolo con due prepuls depolarizzanti, ciascuno di un’ampiezza leggermente inferiore alla corrente di soglia (al momento della consegna),

Tipicamente, le fibre nervose di diametro maggiore possono essere attivate da stimoli a singolo impulso di minore intensità, e quindi possono essere reclutate più prontamente. Tuttavia, i DPP hanno dimostrato la capacità aggiuntiva di invertire questo ordine di reclutamento. Poiché gli stimoli elettrici hanno un effetto maggiore sulle fibre nervose di diametro maggiore, i DPP causeranno a loro volta un grado maggiore di inattivazione della conduttanza del sodio all’interno di tali fibre nervose, quindi le fibre nervose di diametro inferiore avranno una corrente di soglia inferiore.


https://en.wikipedia.org/wiki/Depolarizing_prepulse

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