Il rilascio del neurotrasmettitore non per forza determina un potenziale d'azione, bisogna raggiungere una soglia. Esistono degli stimoli che possono essere subliminari e sono altrettanto importanti come quelli massivi, proprio perché esistono i fenomeni di sommazione. I potenziali post sinaptici di tipo eccitatorio o inibitorio si possono sommare con due modalità.
Se sono contemporanei, due stimolazioni non massicce, all'unisono ma non nello stesso punto, (ciascuna separatamente non determina la depolarizzazione), l'ingresso del sodio dato da una sinapsi e dall'altra si somma e determina il superamento del gradino per il potenziale d'azione: sommazione spaziale.
Nella sommazione temporale abbiamo due stimolazioni che intervengono sulla stessa sinapsi ma in tempi successivi, nello stesso punto ma in tempi diversi: una prima diminuzione del potenziale che non arriva alla soglia dovuta al fatto che pochi recettori si sono aperti, poi una nuova stimolazione in un intervallo di tempo tale che non ricada nella fase di desensitizzazione.
L'integrazione che avviene è un mix di questi due eventi.
L'influenza decresce con il quadrato della distanza, quindi considerando che abbiamo un terzo neurone a valle che verrà stimolato, più la sinapsi tra A e B è vicina all'assone di B minore sarà la latenza e più forte sarà il segnale che si propagherà a valle sul neurone C. La potenza delle sinapsi asso-assoniche è superiore a quella delle assodendritiche e delle asso-somatiche. L'integrazione dei segnali che avvengono a livello della membrana è fondamentale per tutti i processi di apprendimento, per la memoria. La maniera in cui i neuroni “sommano” EPSP e IPSP determinando (o prevenendo) un potenziale d'azione, è espressione della “integrazione” dei segnali di trasmissione. La stimolazione neuronale “integrata” provoca fenomeni elettrofisiologici di Long Term Potentiation (LTP) e di Long Term Depression (LTD). Nasciamo con un bagaglio neuronali e dopo già il quarto anno di età ne abbiamo numericamente molti di meno. Come mai a fronte di un ridotto numero di cellule di neuroni in realtà possediamo molte più informazioni? Forse questa popolazione che si riduce viene ottimizzata nella capacità di ottimizzare segnali fra di loro.
Nasce l'idea della plasticità neuronale.
Tali fenomeni sono fondamentali nell'induzione della plasticità sinaptica, nel rimodellamento delle connessioni neuronali e quindi nei processi di apprendimento e memoria. I neuroni rimanenti sono in grado di vicariare l'assenza di neuroni morti con fenomeni di connessione. Studi su cervello di coniglio hanno confermato negli anni '60 che andando a lesionare alcuni fasci nervosi una determinata area che si silenzia, dopo questa lesione può essere recuperata la funzione elettrofisiologica continuando a stimolarla nel tempo. Si scopre un meccanismo importantissimo della plasticità neuronale che è la LTP, termine utilizzato in una seconda fase, al quale si contrappone il termine LTD.
LTP e LTD rispetto al potenziale di azione del neurone post-sinaptico.
Due stimoli pre-sinaptici che incidono sul neurone o contemporaneamente o susseguendosi nel tempo si integrano e determinano una esaltazione dell'attività elettrica nel neurone post-sinaptico, si forma una via preferenziale per l'impulso elettrico. Il neurone post-sinaptico per esempio esporrà più recettori, si metterà nella condizione di essere più responsivo. Ci sono meccanismi retrogradi che comunicano al neurone pre-sinaptico di potenziale ancor di più la stimolazione (LTD). LTP e LTD però non sono basate sull'azione di recettori diversi, sono fenomeni che si giocano essenzialmente sull'azione di uno stesso recettore, o meglio di un gruppo di recettori che sono i recettori per gli amminoacidi eccitatori. Gli stessi recettori possono determinare questo potenziamento del segnale o al contrario la depressione del segnale. Dipende dalla frequenza dell'impulso eccitante, a che velocità, frequenza, il neurone presinaptico stimola il neurone post-sinpatico. LTP è il termine utilizzato per descrivere un potenziamento notevole e duraturo della trasmissione sinaptica (aumenta ampiezza dei potenziali post-sinaptici) che si attua a livello di varie sinapsi del SNC dopo una breve (condizionante) e intensa (burst) stimolazione presinaptica (circa 100 Hz per 1 sec) LTD viene invece indotta da una sequenza più lunga di stimoli e frequenza più basse (2 Hz per 3-15 sec) Questi fenomeni sono stati studiati nell'ippocampo e si è visto che il fenomeno “apprendimento”, nel senso sinaptico, avviene se la forza sinaptica è aumentata in seguito ad attività simultanea nei neuroni sia pre sia postsinaptici. Tali eventi cellulari potrebbero essere i principali meccanismi alla base della riorganizzazione neuronale che avviene dopo esposizioni ripetute agli stimoli (memoria).
La LTP e la LTD sono soggette ad una regolazione assai complessa:
• attivazione dei recettori dopaminergici
• rilascio di aminoacidi eccitatori e rimodulata espressione dei relativi recettori
• integrazione con il sistema inibitorio del GABA
I protagonisti essenziali sono i recettori per gli amminoacidi eccitatori. Quelli ionotropici sono essenzialmente di tre tipi: NMDa, AMPa e Kainate, in base al tipo di farmaco che ne modula l'azione. La cosa più importante sono gli AMPA e gli NMDA. Gran parte di quel che avviene nella LTP è grazie all'integrazione fra questi recettori. Il rilascio di glutammato attiva i recettori AMPA, che sebbene meno affini, non hanno ostacoli alla loro attivazione. Se pochi canali di questo genere sono aperti le concentrazioni del sodio che vengono raggiunte nel neurone postsinaptico possono essere tali da innescare una depolarizzazione senza eventi aggiuntivi. Se c'è una depolarizzazione significativa, dovuta per esempio ad una stimolazione tetanica ad elevata frequenza per brevi periodi di tempo, si aprono anche i canale NMDA. Questi, sebbene abbiano affinità maggiore per glutammato, sono bloccati da ioni magnesio che occupano il canale. Questi devono essere rimossi da una corrente positiva verso l'esterno della cellula, corrente che si innesca al depolarizzarsi del neurone post-sinaptico, tanto più sodio entra tanto più attiva sarà la rimozione di ioni magnesio. Il canale NMDA si apre e collabora alla depolarizzazione, ma non entra solo sodio, anche calcio. I canali NMDA sono meno selettivi rispetto alla gran parte degli AMPA. Il calcio non è semplicemente uno ione, ma è un secondo messaggero che attiva delle proteine effettrici. Prima di tutto la chinasi calcio-calmodulina dipendente. Questa chinasi è importante perché dall'attivazione della camchinasi parte una serie di modifiche del citoscheletro che determinano l'esposizione di nuovi recettori AMPA sulla membrana. C'è una quota di recettori AMPA che abitualmente sta in vescicole all'interno del neurone post-sinaptico, queste vengono agganciate dal citoscheletro e portate sulla membrana per esporre nuovi recettori. Primo fenomeno fondamentale per la LTP, perché abbiamo aumentato la quantità di recettori presenti sulla membrana. Il calcio fa altro: attiva la protein chinasi C. Questa può fosforilare i recettori AMPA e intervenire sulla frequenza di apertura di questi. Ancora il calcio attiva la trascrizione genica, vengono sintetizzate nuove subunità dei recettori e proteine delle densità sinaptiche che altro non sono che delle chaperone (prendono le subunità recettoriali e le portano verso la membrana). Viene attivata tutta una serie di eventi che vanno nella direzione di aumentare la sensibilità del neurone post-sinaptico e abbassare la sua soglia di risposta. Esiste anche un meccanismo retrogrado che coinvolge il neurone pre-sinaptico. Alla fine degli anni '80 si scopre che gli aumenti della concentrazione del calcio determinano l'attivazione dell'ossido nitrico sintasi, con produzione a partire dell'arginina di ossi nitrico, sostanza volatile, gas e secondo messaggero. NO può attivare risposte nel neurone post-sinpatico e diffondendo è in grado di interferire o influenzare l'azione del neurone presinaptico. Aumenta il carico di neurotrasmettitore e di conseguenza aumenta la produzione di vescicole sinaptiche cariche di glutammato. Questa via diventa preferenziale perché il neurone presinaptico è più efficace nello stimolare. Tutto questo è alla base della LTP. La LTD dipende sempre da questi recettori. Cambia la natura dello stimolo precondizionante. La bassa frequenza prolungata nel tempo fa sì che venga reclutata dal glutammato solo recettori AMPA, gli NMDA non si aprono perché non viene mai rimosso lo ione magnesio. Ma il fatto che l'AMPA venga stimolato per lungo tempo fa sì che vengano innescati meccanismi di down-regulation recettoriali. Il recettore viene introdotto in vescicole per endocitosi e non più esposto sulla membrana. Il neurone post-sinaptico diventa “silente”, via senza sbocco per gli impulsi nervosi. A questo meccanismo di potenziamento mancava un anello di congiunzione. Se attivo la trascrizione genica produco degli mRNA che poi dovranno essere tradotti in proteine. Il nucleo però è molto distante spesso dalle sinapsi. Le modifiche immediate (calcio che attiva alcune chinasi) predispongono alla traduzione delle proteine che si trovano in quella determinata sinapsi. Gli mRNA prodotti a livello nucleare diffondono in tutto il neurone ma solo quando arrivano nel dendrite in cui è avvenuto il treno d'onda condizionante, trovano l'apparato attivo. Nei terminale post-sinaptici dendritici esiste tutto ciò che serve per la lettura degli mRNA e la cellula si polarizza in questo modo: gli eventi precoci determinati dall'azione delle chinasi fanno sì che l'apparato di lettura si attivo in quel determinato punto e non negli altri. Questo fenomeno della LTP è un evento fisiologico fondamentale per i processi mnemonici ma può essere anche alla base di quadri patologici. L'azione esaltata delle sinapsi con recettori AMPA ed NMDA è alla base di fenomeni neurodegenerativi che si manifestano per esempio nelle situazioni traumatiche, nei disturbi vascolari (emorragia vascolare e infarto cerebrale). All'interno dell'area colpita le cellule sono in necrosi, ma c'è un'area, una fascia di cellule, sofferenti, che possono essere recuperate alla loro funzione o possono tracollare e andare incontro a degenerazione: queste cellule sono metabolicamente in difficoltà per un alterato apporto di ossigeno. Questa alterazione metabolica può far sì che ci sia un massiccio rilascio di neurotrasmettitore e questa iperstimolazione fa precipitare lo stato metabolico portando a un massivo ingresso di calcio che oltre una certa soglia diventa tossico (per esempio per i mitocondri). La Punch/Drunk Syndrome è stata delineata sull'osservazione degli alcolisti ma anche dei pugili (demenza pugilistica dovuta ai continui traumi da colluttazione). In altra patologie si è riscontrato un meccanismo simile di degenerazione: nel morbo di Alzheimer, nel Parkinson. Forme similparkinsoniane dovuta a sbagliato apporto nutrizionale. La farina Cycas circinalis è ricca in glutammato e l'uso smodato di questo alimento portava a una sovrastimolazione del sistema nervoso. Anche la SLA presenta fenomeni affini.