Il modello SOLITONICO nella trasmissione nervosa

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Il modello SOLITONICO nella trasmissione nervosa

In 4MOVE stiamo lottando con tutte le energie che abbiamo per vincere l’inerzia nei confronti dei nuovi approcci legati alla neurologia funzionale in ambito sport/fitness/terapia motoria: nella nostra visione dei fatti questo nuovo modo di connettere la neurologia e le neuroscienze al movimento ha una marcia in più e spiega molti “fenomeni” che con la visione più classica, meccanocentrica, del movimento non trovano sempre giustificazione. Proprio in onore di questa piccola battaglia che stiamo vivendo ho voluto scrivere questo articolo per far comprendere al lettore come in neurologia tutto sia “in fieri” , cioè viva un cambiamento continuo dovuto alle nuove tecnologie che permettono di indagare un mondo estremamente complesso e affascinante, ma ancora fuori dalla nostra portata, una contraddizione in termini:

il nostro cervello è troppo complesso per essere compreso dal nostro cervello

Insomma è tutto così in divenire che le stesse basi del modello potrebbero essere errate!! nello specifico se il nostro sistema nervoso non comunicasse ed immagazzinasse informazioni tramite segnali elettrici come la teoria classica vuole? sembra follia, ma il Prof. Thomas Heimburg, che lavora presso il Niels Bohr Institute di Copenhagen e autore del “Modello Solitonico” (teoria applicata al campo delle neuroscienze), sta studiando da almeno 13 anni questa ipotesi e le ultime ricerche sembrano comunicarci che potrebbe non essere così lontano dalla realtà. Prima di introdurvi nell’affascinante mondo della teoria del Prof. Heimburg mi preme fare un piccolo resoconto sullo stato dell’arte della trasmissione nervoso riassumendo in breve il modello di Hodgkin–Huxley che è ad oggi quello scientificamente accettato.

Alan Lloyd Hodgkin e Andrew Huxley, vincitori del premio Nobel per la medicina nel ’63, hanno sviluppato il sistema di equazioni che spiega, almeno secondo le assunzioni attuali, come il tessuto nervoso, composto dalla sua unità funzionale base cioè il neurone, “scambia informazioni” all’interno del nostro corpo [1][2][3][4][5].

neurone

Fig 1: Rappresentazione di un neurone

Nello specifico il modello matematico descrive il processo di depolarizzazione della membrana cellulare. Ad oggi la teoria vuole che il segnale nervoso venga trasmesso lungo la membrana lipidica che forma la parete esterna dell’assone. La differenza di potenziale necessaria a garantire l’impulso elettrico lungo l’assone è dovuta all’apertura e chiusura di canali ionici, cioè vere e proprie micro gallerie che permettono l’ingresso e la fuoriuscita di ioni sodio e potassio dall’esterno all’interno dell’assone attraverso la membrana lipidica.

ion flow

Fig. 2: Canali ionici in una membrana di un assone. La loro apertura permette il transito di ioni dall’esterno all’interno e viceversa

Il modello di Hodgkin–Huxley è troppo complesso per essere dimostrato matematicamente e, ad oggi, è ritenuto valido per via sperimentale. Per quanto il modello dia una rappresentazione ben aderente alle misurazioni raccolte e alla pratica clinica, alcuni comportamenti analizzati sia a livello del neurone sia al livello del tessuto nervoso nel suo comportamento “sistemico” non sono ad oggi ben spiegabili con la teoria “elettrica” rappresentata da Hodgkin–Huxley. E sono proprio queste ultime “discordanze” che hanno spinto a crearsi una nuova visione con lo scopo di spiegare ANCHE quei fenomeni che ad oggi risultano mal aderenti al modello in uso. Nello specifico si notava che la fibra nervosa subiva una dilatazione minimale al passare del segnale, dilatazione di valori veramente molto piccoli, ma perfettamente coerente con l’impulso elettrico. In sintesi si notava una specie di “onda” che accompagnava il segnale [6]. Non solo, è noto infatti che il passaggio di corrente elettrica su un resistore produce calore, per quanto questo possa risultare piccolo a livello del tessuto nervoso, rimane comunque il fatto che deve essere misurabile con tecnologie adeguate. In effetti è stato possibile “fotografare” l’evento di emissione di calore a livello dell’assone [7], ma altresì di riassorbimento dello stesso (quindi con risultato pari a 0) evento assolutamente non dimostrabile con la teoria classica che avrebbe dovuto spiegare la sola dissipazione come in un comunissimo filo elettrico. Infine, ma assolutamente non ultimo come importanza ed applicazione, c’è il problema degli anestetici:

ad oggi si crede che gli anestetici esplichino il loro effetto legandosi ai canali ionici e negando, quindi, il passaggio degli ioni sodio e potassio

Come spiegato precedentemente questo porterebbe ad un interruzione della trasmissione nervosa. Quello che poco convince in questo quadro è il fatto che anestetici con molecole radicalmente diverse hanno tutti possibilità di legarsi agli stessi siti.

anestetici e canali ionici

Fig 3: Legame dei farmaci a canali ionici

Il del Prof. Heimburg, invece, vorrebbe spiegare la comunicazione nervosa tramite una via diversa da quella elettrica e nello specifico tramite la meccanica. Secondo il “modello solitonico” la trasmissione avverrebbe per mezzo di un solitone, cioè un onda con caratteristiche fisiche particolari che si formerebbe mediante una transizione di fase dei lipidi presenti nella membrana dell’assone. Tali molecole, infatti, vivrebbero costantemente ad una temperatura e pressione molto vicine al loro punto di transizione da fluido (stato a riposo) e gel (condizione in cui avviene il passaggio del segnale).

Una perturbazione di tipo elettrico o meccanico, quindi, produrrebbe “un onda d’urto” lungo la membrana lipidica costituita dal cambiamento temporaneo di fase.

fasi_delle_membrane_biologiche

Fig 4: Cambiamento di fase della membrana

Tale onda viene accompagnata da una dilatazione della stessa membrana assolutamente in linea con quanto misurato sperimentalmente e una dissipazione con conseguente riassorbimento del calore che dimostrerebbero quanto difficile da dimostrare con la teoria classica. Inoltre esperimenti su membrane artificiali [8][9][10][11] evidenziano che la propagazione d’onda avviene esattamente alla velocità di propagazione dell’informazione lungo il neurone.

solitone neurone

Fig. 5: Ricostruzione di un onda meccanica lungo un assone

La teoria del solitone di Heimburg manterrebbe anche la caratteristica del “tutto o nulla” tipica delle cellule nervose, cioè queste sono in grado di scaricare solo se stimolate oltre un certo livello di soglia. Ovviamente non mancano ad oggi detrattori della teoria di Heimburg che non condividono le sue posizioni, anche se resta innegabile che gli esperimenti condotti lasciano spazio ad un futuro interessante per questa nuova visione della trasmissione nervosa. E’ sicuramente affascinante notare come Heimburg riesce a spiegare, con questo modello, anche il “paradosso degli anestetici” che, come accennato precedentemente, risultano complessi da giustificare con la sola teoria del legame sul canale ionico.

Secondo Heimburg gli anestetici agirebbero come il sale sul ghiaccio stradale

in sintesi sposterebbero le condizioni per la transizione di fase dei lipidi di membrana impedendo, quindi, la propagazione dell’onda [12]. L’intuizione è derivata da studi di inizio ‘900 [13] dove l’autore conduceva esperimenti evidenziando che la forza degli anestetici era direttamente proporzionale con la loro solubilità nei lipidi. Studi su membrana sintetiche evidenziano la correttezza dell’intuizione e, ora, anche alcuni esperimenti in vivo dimostrerebbero che l’effetto di un anestetico locale può essere eluso variando le condizioni in termini di pressione, PH, intensità dello stimolo o temperatura, quindi adattando le condizioni al contorno alla nuova posizione del punto di transizione di fase provocato dalla somministrazione dell’anestetico stesso [14].

Ad oggi una grande fetta della comunità scientifica resta radicata sulla teoria accettata fin’ora, ma iniziano a svilupparsi sempre maggiore interesse per le evidenze ricavate dalla teoria dei solitoni. Una parte della comunità, invece, inizia a vedere la possibilità di una convivenza tra i due modelli, a rafforzare questa posizione il fatto che la propagazione del solitone produce un effetto piezoelettrico dovuto alla mobilitazione delle sostanze cariche e polari presenti nella membrana che viene modificata in densità e spessore dall’incidenza del solitone [8].

Qualunque sia la realtà effettiva della trasmissione nervosa resta un argomento affascinante e complicatissimo che non può non essere seguito in ogni suo minimo sviluppo da chi, come noi di 4MOVE, ha fatto della neurologia funzionale un nuovo campo di applicazione al movimento. Saremo lieti di tenervi informati sui nuovi sviluppi che questa frontiera di studio ci sta promettendo.

Ing. Stefano Ninci

[1] A. L. Hodgkin, F. R. S e A. F. Huxley, Propagation of electrical signals along giant nerve fibres, in Proc. R. Soc. Lond. B, vol. 140, nº 899, 16 ottobre 1952, pp. 177–183, DOI:10.1098/rspb.1952.0054.

[2] A. L. Hodgkin e A. F. Huxley, Currents carried by sodium and potassium ions through the membrane of the giant axon of Loligo, in The Journal of Physiology, vol. 116, nº 4, April 1952, pp. 449–472.

[3] A. L. Hodgkin e A. F. Huxley, The components of membrane conductance in the giant axon of Loligo, in The Journal of Physiology, vol. 116, nº 4, April 1952, pp. 473–496.

[4] A. L. Hodgkin e A. F. Huxley, The dual effect of membrane potential on sodium conductance in the giant axon of Loligo, in The Journal of Physiology, vol. 116, nº 4, April 1952, pp. 497–506. 

[5] A. L. Hodgkin e A. F. Huxley, A quantitative description of membrane current and its application to conduction and excitation in nerve, in The Journal of Physiology, vol. 117, nº 4, 28 agosto 1952, pp. 500–544

[6] Iwasa, K., Tasaki I., Gibbons, R., HWELTR Swelling of nerve fibres associated with action potentials, in Science, vol. 210, 1980, pp. 338–9

[7] Abbott, B.C., Hill, A.V., Howarth, J.V., The positive and negative heat associated with a nerve impulse, in Proceedings of the Royal Society B, vol. 148, 1958, pp. 149–187

[8] Shamit Shrivastava, Schneider Matthias, Evidence for two-dimensional solitary sound waves in a lipid controlled interface and its implications for biological signalling, in Royal Society Interface, vol. 11, 18 giugno 2014

[9] J Griesbauer, Bossinger S Wixforth A Schneider M, Propagation of 2D Pressure Pulses in Lipid Monolayers and Its Possible Implications for Biology, in Physical Review Letters, vol. 108, 9 maggio 2012

[10] J Griesbauer, Bossinger S Wixforth A Schneider M, Simultaneously propagating voltage and pressure pulses in lipid monolayers of pork brain and synthetic lipids, in Physical Review E, vol. 86, 19 dicembre 2012

[11] Shamit Shrivastava, NON-LINEAR SOLITARY SOUND WAVES IN LIPID MEMBRANES AND THEIR POSSIBLE ROLE IN BIOLOGICAL SIGNALING, 1stª ed., Boston, MA 02215 US, Thesis, Boston University, gennaio 2014.

[12] Heimburg, T., Jackson, A.D., The thermodynamics of general anesthesia, in Biophys. J., vol. 92, 2007, pp. 3159–65

[13] Studien uber die narkose, Ernest Overton, 1901

[14] KaareGræsbøll, HenrikeSasse-Middelhoff, ThomasHeimburg, The Thermodynamics of General and Local Anesthesia, in Biophys. J., vol. 106, 2014, pp. 2143-56

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