Roberto Prevete » 2.Il neurone biologico

Reti neurali e neurone biologico

Come già detto nella precedente lezione, in questo corso studieremo principalmente modelli di reti neurali artificiali:

• prendendo spunto dalle principali caratteristiche strutturali e funzionali del sistema nervoso centrale (il cervello), quali l’alto parallelismo con cui l’informazione è elaborata, la forte connettività tra le sue parti, la plasticità del sistema.
• In particolare dalle caratteristiche strutturali e comportamentali dell’unità di base del sistema nervoso centrale: la cellula neuronale.

Per tale motivo nella presente lezione faremo una sintetica, ma esaustiva per gli scopi del corso, descrizione del sistema nervoso centrale e della cellula neuronale che ne rappresenta la sua unità di base.

Il sistema nervoso centrale

Il sistema nervoso centrale (il cervello) può essere descritto tramite una organizzazione su più livelli:

1. Il sistema nervoso centrale è suddiviso in quattro grandi “blocchi”, detti lobi: frontale, parietale, occipitale e temporale.
2. Ciascun lobo può essere suddiviso in varie regioni morfologicamente e/o funzionalmente differenti.
3. Ciascuna regione è costituita da unità fondamentali detti neuroni.

Nel sistema nervoso centrale dell’uomo abbiamo circa 10¹¹ neuroni. Il neurone è una cellula con particolari caratteristiche strutturali e funzionali.

Il neurone biologico

Nelle prossime slide, allora, daremo uno sguardo più dettagliato al neurone biologico, che è l’unità fondamentale dell’intero sistema nervoso centrale. Vedremo:

• In primo luogo, quale è la struttura di un tipico neurone biologico (naturalmente evidenziano solo le parti fondamentali ed utili per il prosieguo del corso).
• In un secondo momento analizzeremo quale è il comportamento tipico di un neurone biologico (naturalmente, anche in questo caso, soffermandoci solo sugli aspetti essenziali per il prosieguo del corso).

Struttura di un neurone biologico (segue)

Ciascun neurone, così come qualunque altra cellula, è separato dall’ambiente esterno da un sottile “involucro” detto membrana cellulare.

Tra l’interno e l’esterno della membrana cellulare vi è una differenza di potenziale (d.d.p) tipicamente di circa -70 mV, con l’interno della cellula negativo rispetto all’esterno della membrana.

Tale d.d.p è dovuta ad una differenza di concentrazione di ioni. Questo potenziale è detto potenziale a riposo o resting potential.

I principali ioni coinvolti sono: Na+ e K+, anche se altri ioni sono presenti come Cl-. La differenza di concentrazione di tali ioni comporta la d.d.p su citata.

Struttura di un neurone biologico (segue)

La membrana cellulare è composta da canali ionici che, sotto certe condizioni, permettono selettivamente il passaggio degli ioni Na+ o K+ tra l’interno e l’esterno della membrana.

Tali canali ionici possono essere visti come delle “porte” che impediscono o fanno passare ioni. Schematicamente si possono individuare:

• canali ionici sensibili al Na+, cioè che impediscono o permettono il passaggio di Na+ attraverso la membrana cellulare.
• canali ionici sensibili al K+, cioè che impediscono o permettono il passaggio di K+ attraverso la membrana cellulare.

Struttura di un neurone biologico (segue)

Una volta visti quali sono gli elementi di un neurone biologico, andiamo ora ad analizzare quale è il suo comportamento …

Struttura di un neurone biologico (segue)

E’ possibile “stimolare” un neurone in modo da indurre un gradiente di potenziale che depolarizza la membrana cellulare, cambiando la permeabilità della membrana e, così, “aprendo” i canali ionici in modo che vi sia un flusso di ioni positivi dall’esterno verso l’interno.

Se lo stimolo è sufficientemente grande, superiore ad una certa soglia (tipicamente circa 50 mV), allora la membrana è depolarizzata e vi è un apertura dei canali ionici sensibili agli ioni Na+ in modo tale che un gran numero di tali ioni entrano nella cellula.

Tali correnti generano un “improvviso” aumento di potenziale, detto potenziale di azione. In questo caso si dirà cioè che il neurone spara oppure che c’è uno spike. Il potenziale di azione assume generalmente un valore massimo di circa +35mV.

Potenziale d’azione (segue)

Sottolineo che:

• La durata del potenziale d’azione va da pochi ms a decine di ms (può cambiare per neuroni di tipo diverso, ma è la stessa per neuroni dello stesso tipo).
• Appena termina il processo di depolarizzazione si ha una refrattarietà assoluta (nella prima parte del periodo di ripolarizzazione, circa 2/3), cioè non può accadere un nuovo processo di depolarizzazione.
• Esiste, invece, una refrattarietà relativa (succesivo al periodo di refrattarietà assoluta, della durata di qualche ms), cioè può accadere un nuovo processo di depolarizzazione ma ad una soglia più alta.

Si ha così una frequenza massima di “sparo”, cioè di potenziali d’azione consecutivi, pari a circa 300 Hz.

Propagazione del potenziale d’azione

Il potenziale di azione è propagato lungo l’assone del neurone (con una velocità dell’ordine delle decine di metri al secondo) fino ai bottoni sinaptici “stimolando”, quindi, altri neuroni.

Quando il potenziale d’azione arriva al bottone sinaptico fa si che neurotrasmettitori siano rilasciati nel gap sinaptico. Tali neurotrasmettitori si legano a recettori della membrana post-sinaptica (in genere la membrana dei dendrite di un altro neurone) causando (in genere) una apertura dei canali ionici sensibili al Na+ e causando così una depolarizzazione della membrana cellulare.

Se un numero sufficiente di recettori dendritici sono “attivati” e la depolarizzazione della membrana raggiunge un tipico valore di soglia allora anche in questo neurone vi sarà un potenziale d’azione.

Potenziale d’azione: Riassumiamo

Riassumendo, la dinamica del processo di comunicazione tra neuroni può essere riassunta in 6 “concetti” di base:

1) L’assone è in uno stato tutto o niente. Nel primo stato propaga un segnale- il potenziale d’azione, o sparo (spike)- in base al risultato della “somma” realizzata nel soma.

2) La forma e l’ampiezza del segnale propagato è molto stabile: il segnale ha sempre la stessa forma e la stessa ampiezza. Nello stato “niente” non c’è nessun segnale che viaggia sull’assone.

Potenziale d’azione: Riassumiamo (segue)

3) Quando il segnale arriva alla fine dell’assone (ai bottoni sinaptici) causa la secrezione di neurotrasmettitori (molecole) verso la membrana post-sinaptica (ricordo che, in genere, non c’è un vero contatto tra bottone sinaptico e membrana cellulare).

4) I neurotrasmettitori arrivano alla membrana post-sinaptica. Sul lato post-sinaptico tali neurotrasmettitori si legano a recettori causando l’apertura di canali ionici che comporteranno una corrente ionica nel neurone post-sinaptico. La quantità di corrente ionica entrante nel neurone causata dallo spike pre-sinaptico è un parametro che specifica l’efficacia della sinapsi.

Potenziale d’azione: Riassumiamo (segue)

5) I potenziali post-sinaptici (PSP) causati delle correnti ioniche entranti sono sommati nel soma. I singoli PSP sono dell’ordine di 1 mV. Questi potenziali possono essere eccitatori, cioè depolarizzano la membrana post-sinaptica e aumentano la possibilità di uno spike nel neurone post-sinaptico, oppure inibitori, cioè iper-polarizzano la membrana post-sinaptica e diminuiscono la possibilità di avere uno spike nel neurone post-sinaptico.

6) Se la somma totale dei PSP che arrivano in un “breve” periodo di tempo supera una certa soglia, la probabilità di uno spike nel neurone post-sinaptico diventa “molto alta”. La soglia è dell’ordine delle decine di mV.

Alcune precisazioni sul potenziale di azione

Il potenziale d’azione (spike) ha sempre la stessa forma.

Il tempo che intercorre dall’emissione di uno spike nel neurone pre-sinaptico all’emissione di uno spike in quello post-sinaptico varia a secondo della lunghezza dell’assone e delle sue dimensioni. Possiamo affermare che un tempo tipico è dell’ordine dei ms.

C’è un periodo di circa 1-2 ms nel quale il neurone non può emettere un secondo spike, questo periodo è detto periodo refrattario assoluto. La frequenza massima di spike è dell’ordine delle centinaia di Hz.

La durata di uno spike va da pochi ms a decine di ms (può cambiare per neuroni di tipo diverso, ma è la stessa per neuroni dello stesso tipo).

Alcune precisazioni sugli assoni

A differenza del comportamento elettrico (cioè il potenziale d’azione ha sempre la stessa forma) c’è una grossa varietà morfologica tra gli assoni.

Il diametro di un assone varia da circa 10-4 mm (assone del sistema nervoso centrale dei mammiferi) a circa 1 mm (assone del sistema nervoso centrale dei calamari).

La lunghezza dell’assone varia da circa 10-1 mm a circa 103 mm (per neuroni motori). Alcuni assoni sono solamente racchiusi in una sottile membrana cellulare altri sono impacchettati in guaine multiple di mielina. Il passaggio di un potenziale di azione lungo un assone ha, in genere, la durata di circa 1 ms.

Alcune precisazioni sulle sinapsi

Esistono due tipi di sinapsi definite dal modo con cui trasmettono il segnale:

• Sinapsi elettriche. In questo caso le membrane pre- e post- sinaptiche sono unite tramite dei canali specializzati ad elevata conduttanza, chiamati gap junctions. Sinapsi elettriche si trovano, ad esempio, negli strati esterni della retina. In ogni caso esse sono molto rare.
• Sinapsi chimiche. Nella grande maggioranza dei casi la trasmissione di informazione tra neuroni è mediata da sinapsi chimiche. La conversione del segnale elettrico (lo spike) pre-sinaptico in un segnale chimico è mediata dal processo di esocitosi, cioè dal rilascio di molecole (neurotrasmettitori) contenute in delle vescicole localizzate all’interno del terminale pre-sinaptico. Il trasmettitore si diffonde nel gap-sinaptico e giunge in zona post-sinaptica combinandosi con ricettori sinaptici causando un cambiamento della conduttanza di membrana post-sinaptica. Tale cambiamento di conduttanza tipicamente induce la circolazione di una corrente trans-membrana (con relativa variazione di potenziale di membrana) in zona post-sinaptica.

Alcune precisazioni sulle sinapsi (segue)

Osserviamo che l’entità della variazione di conduttanza post-sinaptica dipende da numerosi fattori quali quantità di neurotrasmetitori rilasciati, velocità con cui sono riassorbiti, tipo di neurotresmettitore e tipo di ricettore post-sinaptico.

E’ interessante notare come anche sulla stessa giunzione pre- post- sinaptica il numero di neurotrasmettitori rilasciati in presenza di uno spike varia da spike a spike, in quanto ogni vescicola della membrana pre-sinaptica si apre in maniera probabilistica e indipendentemente dalle altre vescicole.L’intensità dell’effetto in zona post-sinaptica è quindi descrivibile tramite una variabile stocastica funzione del numero di vescicole presenti in zona pre-sinaptica (numero che può variare da poche unità a diverse centinaia).

Esistono diversi tipi di neurotrasmettitori pre-sinaptici e recettori post-sinaptici. A seconda di quali tipi di accoppiamenti di neurotrasmettitori-recettori si hanno, uno spike può provocare un aumento o un decremento della conduttaza post-sinaptica in maniera più o meno rapido.

Dal neurone biologico alle reti neurali artificiali

A questi punto ci si può domandare:

• Dato che il sistema nervoso centrale è capace di elaborare informazione in maniera efficacia e in tempi brevissimi, e …
• Dato che il sistema nervoso centrale è costituito fondamentalmente da neuroni, allora …
• Come possiamo “tradurre” il complesso comportamento prima esposto in un modello di calcolo?

In altre parole, quali sono le caratteristiche essenziali della struttura e del comportamento di un neurone biologico che ci permettono di “costruire” un sistema di calcolo che può, in qualche misura, emulare il sistema nervoso centrale?