Il potenziale di riposo: i fondamenti del sistema nervoso Teach article

Tradotto da Francesca Nuzzo. Simulare un neurone in classe.

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concessa da Dhp1080; fonte
dell’immagine: Wikimedia
Commons

Il sistema nervoso non è solo un affascinante argomento del programma didattico di biologia, ma probabilmente anche uno dei più complessi, soprattutto perché non è possibile lavorare con neuroni veri a scuola. In questo articolo, descriviamo un’ attività che sfrutta una membrana di cellophane per esplorare come viene generato il potenziale di riposo in un neurone. Adatto a studenti di 16-19 anni , l’attività richiede 90 minuti.

Un potenziale di membrana artificiale

Per trasferire le informazioni, i neuroni devono produrre e mantenere un potenziale di riposo: una differenza di voltaggio tra l’ambiente intracellulare ed extracellulare, che si propaga lungo la membrana cellulare. La differenza di voltaggio in un neurone non eccitato è detta potenziale di riposo. Una stimolazione di tale neurone può alterare il potenziale di riposo, generando un potenziale d’azione: l’impulso elettrico attraverso  cui un neurone trasmette le sue informazioni. Prima che il neurone possa nuovamente eccitarsi, il potenziale di riposo deve essere ristabilito (figura 1). Come viene generato e mantenuto il potenziale di riposo? La risposta risiede parzialmente nella natura semipermeabile della membrana cellulare.

Figura 1: La differenza di voltaggio sulla membrana nel tempo, in un neurone stimolato. A: potenziale a riposo; B: potenziale d’azione; C: potenziale di riposo ristabilito; t:tempo
Immagine cortesemente concessa da Nicola Graf

Tra i costituenti dell’ ambiente intra- ed extracellulare ci sono gli ioni sodio (Na+), cloruro (Cl), anioni organici(A) e, soprattutto, potassio (K+). Una volta che un neurone è stato eccitato ed il potenziale di riposo inizia ad essere ristabilito, la concentrazione degli ioni K+ è maggiore all’interno che all’esterno del neurone. A differenza della maggior parte degli ioni, gli ioni K+ possono muoversi liberamente dentro e fuori dalla cellula, mediante specifici canali ionici presenti sulla membrana. Guidati dal gradiente di concentrazione, ioni K+ diffondono all’esterno del neurone, determinando un movimento netto di cariche positive (figura 2). Ciò comporta una differenza di voltaggio attraverso la membrana, con l’ambiente intracellulare a maggior carica negativa rispetto a quello extracellulare. Questo è il potenziale di riposo, con un valore pari a circa -70mV.

Figure 2: Quando due soluzioni su ambo i lati di una membrana semi-permeabile hanno diverse concentrazioni (in alto), la distribuzione delle cariche positive e negative lungo la membrana è sbilanciata /in basso), determinando una differenza di voltaggio. Da notare che la concentrazione dei cationi resta più alta su un solo lato della membrana, a causa dell’attrazione degli anioni, che sono intrappolati nella membrana.
Immagine cortesemente concessa da Alexander Maar

Sebbene ci siano ulteriori fattori coinvolti nella generazione del potenziale di riposo di un neurone, il contributo combinato del gradiente di concentrazione e delle proprietà elettriche di anioni e cationi può facilmente essere dimostrato in classe usando il cellophane come una membrana semi-permeabile, come descritto di seguito.

Prima dell’esperimento, è bene ricordare ai vostri studenti i principi base di diffusione e delle membrane cellulari. Le istruzioni sugli esperimenti riguardanti le proprietà della membrana cellulare e il processo di diffusione possono essere scaricate dalla sezione materiali aggiuntiviw1.

Occorrente

Per ogni gruppo di 2-4studenti, avrete bisogno di:

  • 300 ml di una soluzione 0.01 M di cloruro di potassio (KCl)
  • 100 ml di una soluzione 0.1 M di cloruro di potassio (KCl)
  • Acqua distillata
  • Voltmetro
  • Elettrodi (cavo d’argento placcato con cloruro)
  • Contenitore in vetro (200–300 ml)
  • Imbuto
  • Rotolo di cellophane
  • Elastico
  • Morsetto con tre morse
  • Due cavi con pinze a coccodrillo
  • Pipette
  • Forbici

Procedimento

Prima di iniziare l’esperimento, chiedete ai vostri studenti come pensano si crei una differenza di voltaggio in una cellula, e quali componenti cellulari sono importanti nel mantenerlo. Introdurre brevemente il potenziale di riposo. Chiedere ai vostri studenti di:

  1. Riempire il contenitore di vetro con circa 200ml di una soluzione 0.01M di cloruro potassio, che rappresenta l’ambiente extracellulare delle membrana.
Image courtesy of Alexander Maar
Immagine cortesemente concessa da Alexander Maar
  1. Tagliare un pezzo di cellophane largo a sufficienza per ricoprire la base dell’imbuto, poi lavare il cellophane in acqua distillata per renderlo più flessibile. Il cellophane funge da membrana semipermeabile.
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  1. Avvolgere ben stretto un pezzo di cellophane alla base dell’imbuto e fermarlo con l’elastico.
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  1. Agganciare l’imbuto al morsetto, immergere la base dell’imbuto nella soluzione di cloruro di potassio presente nel recipiente di vetro.
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  1. Usando una pipetta, aggiungere la soluzione 0.1M KCl nell’imbuto fino a quando i livelli del liquido all’interno e all’esterno dell’imbuto combaciano.
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  1. Collegare i due elettrodi al voltmetro con le pinze a coccodrillo. Usando una morsa, posizionare l’elettrodo connesso al catodo del voltmetro nella soluzione del recipiente di vetro. Sfruttando un’ulteriore morsa, posizionare il secondo elettrodo, connesso all’anodo, nella soluzione dell’imbuto.
Image courtesy of Alexander Maar
Immagine cortesemente concessa da Alexander Maar

Discussioni ed ulteriori approfondimenti

Chiedere ai vostri studenti:

  • Quale voltaggio pensano che misurerà il voltmetro? Alcuni studenti possono pensare che sarà positivo, come in un potenziale d’azione. Chiedere loro di posizionare il Voltmetro approssimativamente a 200mV.
  • In circa 10 secondi, il voltaggio diminuirà, stabilizzandosi dopo 5 minuti a -50mV a -60mV.
  • Cosa causa la differenza di voltaggio tra due soluzioni? Perché il valore è negativo? Cosa sarebbe accaduto se la soluzione del recipiente di vetro fosse stata più concentrata della seconda?
  • Perché pensano che la membrana e le due soluzioni hanno prodotto una distribuzione ineguale degli ioni?

Come in un vero neurone, questo esperimento si basa su due componenti: un gradiente di concentrazione e le proprietà semipermeabili del cellophane. Come la membrana di un neurone, il cellophane è permeabile agli ioni K+ ma non permeabile agli ioni Cl. Come risultato, come nel neurone, c’è una graduale e netta diffusione di ioni K+ dall’imbuto (0.1 M KCl) verso il contenitore di vetro (0.01 M KCl). Se gli elettrodi vengono posizionati correttamente, senza bucare il cellophane, noterete che il voltaggio della soluzione nell’imbuto diventerà più negativo. Il posizionamento del voltmetro a 200mV è arbitrario, solo per assicurare che il risultato finale sia simile al potenziale di riposo reale.

Sebbene realistico, l’esperimento non rappresenta un modello completo di come il potenziale di riposo è stabilito e mantenuto. In un neurone, l’ambiente extra- ed intracellulare non contengono solo ioni K+ e Cl, e ci sono ulteriori meccanismi che influenzano la permeabilità della membrana. Comunque, questo esperimento offre un’opportunità per discutere l’accuratezza del modello e per introdurre altri aspetti della neurobiologia come i canali ionici, la pompa sodio-potassio ed il potenziale di riposo.

In alternativa, potete chiedere ai vostri studenti di discutere su ipotetici scenari, ad esempio, usando altre soluzioni, una  membrana con diverse proprietà o diverse concentrazioni di KCl.

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Web References

  • w1 – Materiale sulle proprietà della membrana cellulare e sulla diffusione attraverso le membrane può essere scaricata dalla sezione materiali aggiuntivi.

Resources

  • Per maggiori dettagli sull’elettrochimica e sui potenziali di membrana, consultare:
  • Per ulteriori informazioni di carattere generale sulla neurobiologia, vedere Neuroscience Online, un manuale elettronico di neuroscienze.
  • Per uno sguardo più ravvicinato sui neuroni, riferirsi a:
    • Shepherd GM (1983) Neurobiology. New York, USA: Oxford University Press. ISBN: 978-0195088434
  • Per una semplice spiegazione di potenziali di riposo e d’azione, consultare il Neuroscience for Kids website.

Author(s)

Dr. Class Wegner è un membro del dipartimento di Didattica della Biologia presso la Bielefeld University ed un insegnante di pedagogia applicata in questa materia. È il fondatore ed il principale supervisore del Kolumbus-Kids, un progetto per insegnare biologia a studenti dotati presso la Bielefeld University. In aggiunta, insegna biologia ed educazione fisica come professore al Ratsgymnasium Bielefeld.

Dr. Roland Kern, dal 1996, è un membro del dipartimento di Neurobiologia della Bielefeld University. Come professore di fisiologia umana ed animale, insegna neurobiologia agli studenti di scienze naturali.

Jennifer Kahleis si è diplomata alla Bielefeld University ed ha studiato biologia, chimica e scienze dell’educazione.  Durante il master, ha lavorato come assistente presso il dipartimento di didattica della biologia ed attualmente lavora come tirocinante.

Alexandar Maar studia scienze dell’educazione oltre ad inglese e biologia per le scuole superiori. È molto attivo come studente presso il dipartimento di didattica della biologia della Bielefeld University.


Review

I modelli semplificati possono essere molto utili per comprendere i processi complessi che avvengono in natura. Questo articolo descrive un’attività pratica per spiegare come funzionano i neuroni. Tutto il materiale richiesto è facilmente reperibile e le istruzioni sono facili da seguire, perciò l’esperimento è adatto ad essere eseguito in gruppo.

Le attività possono essere usate per combinare diversi argomenti di biologia, chimica e fisica.

Se interessati ad approfondire l’argomento,  attività complementari possono essere trovate nella sezione fonti dal web.


Mireia Güell Serra, Spagna




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