Bistability and Hysteresis of Sodium Channels at Neuromuscular Junction

I movimenti volontari nel muscolo di mammifero sono controllati dal cervello tramite una sinapsi specializzata: la giunzione neuro-muscolare (NMJ). Al fine di comprendere nel dettaglio le origini fisiopatologiche di disfunzioni di questa giunzione (ad es. Miastenia Gravis, Sindrome miastenica di Lambert-Eaton) e per favorire l’ingegnerizzazione di raffinate neuroprotesi a scopo riabilititativo, è necessario approfondire le nostre conoscenze sull’esatto meccanismo di comunicazione tra neurone e muscolo a livello dell NMJ. La NMJ è la sede in cui il terminale assonico di un motoneurone e la membrana post-sinaptica della fibra muscolare si giustappongono per creare una sinapsi. L’impulso inviato dal neurone pre-sinaptico causa un rilascio del neurotrasmettitore, l’acetilcolina, nella fessura sinaptica che, a sua volta, induce un potenziale intracellulare post-sinaptico nella fibra muscolare. Il potenziale extracellulare nello spazio sinaptico è influenzato dalla corrente ionica generata dall’apertura di canali del sodio voltaggio-dipendenti localizzati nelle pieghe post-giunzionali della NMJ (v. dopo). Di conseguenza, il gating voltaggio-dipendente degli stessi canali può essere influenzato dal voltaggio extracellulare. Questo fenomeno in cui correnti che passano attraverso canali del sodio diminuendo il potenziale extracellulare e attivando i canali con meccanismo a feed-back positivo, viene chaimato “self-gating”. Secondo questa ipotesi, applicata alla NMJ, la caduta del voltaggio extracellulare potrebbe modificare il potenziale transmemebrana a livello della fibra e aumentare la probabilità di apertura dei canali del sodio. Negli ultimi decenni sono stati proposti alcuni modelli matematici della NMJ, ma nessuno ha considerato il potenziale ruolo del potenziale extracellulare nello spazio sinaptico della giunzione. Il modello proposato in questa tesi prende in considerazione questo effetto, simulando il comportamento della NMJ nel caso del ratto e della rana. Nel simulare la NMJ, si è presa in considerazione una fibra di forma tubulare (diametro 50 µm e longhezza 500 µm). La sinapsi è costituita da un terminale assonico che si affaccia sulla membrana della fibra muscolare con una distanza di 50 nm. Il potenziale della giunzione (Vj) è calcolato usando la conduttanza del sodio della membrana post-sinaptica (conduttanza globale) e la resitenza della fessura sinaptica. La corrente del sodio nella membrana post-sinaptica (EPINa) è calcolata usando il ptenziale della giunzione e la conduttanza globale. Il recettore per l’acetilcolina (AChR) assieme con la EPINa agisce come corrente di stimolo per la fibra che viene simulata, da un punto di vista elettrico, mediante un modello di tipo Hodgkin-Huxley. La conduttanza associata ai canali voltaggio dipendenti dipende dalla caduta di potenziale tra l’esterno e l’interno della membrana post-sinaptica. Il potenziale nello spazio sinaptico della NMJ calcolato per diversi potenziali di membrana dimostra che la conduttanza dei canali voltaggio dipendenti del sodio ha un comportamento compatibile con un effetto di self-gating. Abbiamo studiato l’attivazione, l’inattivazione e il recupero dall’inattivazione (e dei parametri Hodgkin-Huxley ad essi legati) in condizioni normali (di self-gating) e assumendo uno spazio sinaptico con distanza infinita (condizioni di non self-gating). In tal modo, abbiamo verificato l’effetto del potenziale extracellulare sul gating dei canali e sulla trasmissione sinaptica focalizzandoci su parametri del potenziale d’azione generato nella fibra muscolare quali l’overshoot, la massima velocità di salita e la frequenza di firing. E’ stato anche introdotto un fattore Raggio-Conduttanza per rendere più chiara e immediata la relazione tra la dimensione del raggio del terminale assonico del motoneurone, la conduttanza massima del sodio e la corrente di stimolo dovuta agli AChR. La dipendenza dal raggio della bistabilità dei canali è stata simulata. Il modello di trasmissione proposto, considerando il contributo dei canali del sodio nelle pieghe post-giunzionali e il potenziale extracellulare nella fessura sinaptica, dimostra la capacità della trasmissione neuromuscolare di rimanere efficace in varie condizioni fisiologiche e di stress, con un fattore di sicurezza (safety-factor) del 15%. In condizioni di self-gating si può notare un comportamento di switching della conduttanza del sodio: da bassa a alta, durante la depolarizzazione e da alta a bassa durante la ripolarizzazione della fibra. Durante questo processo, si evidenziano bistabilità ed isteresi dei canali del sodio. Le terapie per diverse patologie della NMJ (ad es. Miastenia Gravis, sindorme miastenica di Lambert-Eaton) sono limitate da incompleta caratterizzazione dei meccanismi che governano la trasmissione tra motoneurone e muscolo. Il modello qui proposto esplora il meccanismo di trasmissione nella NMJ e potrebbe essere usato in futuro per migliorare le terapie di queste patologie. Tuttavia, ulteriori validazioni sperimentali dovranno essere condotte. Inoltre, il modello potrebbe ispirare nuove e più efficienti neuroprotesi per pazienti con disabilità motorie.