Propagation electrodynamics differential conduction of action potentials in geometrically branched squid giant axons

All'interno del cervello, l'atto più fondamentale del pensare, del sentire e del muoversi si basa su un evento semplice ma profondo: una scintilla elettrica che viaggia lungo un filo. Questi fili non sono di rame o silicio, ma le lunghe e sottili estensioni delle cellule nervose chiamate assoni. Per decenni, gli scienziati hanno compreso come questi segnali si muovano utilizzando un insieme di regole note come teoria del cavo. Questa teoria tratta l'assone come un lungo tubo poroso, dove l'elettricità scorre al centro e fuoriesce dai lati. Funziona abbastanza bene per spiegare come un segnale viaggi lungo un tubo dritto e uniforme. Tuttavia, il vero cervello non è una collezione di tubi dritti. È una foresta intricata di rami, dove una singola fibra nervosa si divide in due, poi in quattro, e poi in molti altri, creando un complesso puzzle geometrico. Quando un segnale raggiunge un bivio, deve decidere come dividere la sua energia. Le vecchie regole assumevano che se i rami fossero stati della stessa dimensione, il segnale si sarebbe diviso equamente, e se fossero stati diversi, la divisione avrebbe seguito un modello prevedibile basato puramente sulla loro larghezza.

Ma cosa succederebbe se le vecchie regole mancassero di un pezzo del puzzle? E se il movimento dell'elettricità attraverso questi minuscoli fili creasse il proprio campo magnetico invisibile e questo campo, a sua volta, premesse contro l'elettricità? Questa è la domanda a cui un team di ricercatori si è proposto di rispondere. Hanno costruito un nuovo modello, più completo, di come viaggiano i segnali nervosi, uno che non si limita a guardare la corrente elettrica ma tiene conto anche delle forze magnetiche che sorgono ogni volta che quella corrente si muove. Simulando queste interazioni su un computer, hanno scoperto che gli effetti magnetici non sono solo un piccolo dettaglio da ignorare; sono abbastanza potenti da cambiare la velocità con cui un segolo si muove, il suo comportamento in un punto di ramificazione e persino se riesce a superare il bivio o meno.

I ricercatori hanno iniziato prendendo il modello standard di una cellula nervosa e aggiungendovi le piene leggi dell'elettromagnetismo. Nella visione tradizionale, un segnale nervoso è solo un'onda di tensione che si muove lungo un cilindro. In questa nuova visione, quell'onda di elettricità in movimento genera un campo magnetico, e quel campo magnetico crea una forza che agisce sugli ioni in movimento all'interno della cella. È una conversazione a due vie tra elettricità e magnetismo. Per testare questo, il team ha creato un ambiente virtuale in cui potevano osservare questi segnali viaggiare attraverso strutture ramificate, molto simile a un tronco d'albero che si divide in rami. Hanno eseguito migliaia di simulazioni, cambiando lo spessore del ramo principale e dei rami secondari, osservando cosa accadeva quando il segnale colpiva il bivio.

I risultati sono stati sorprendenti. Nel vecchio modello, se si rendeva uno dei rami secondari molto largo, il segnale fluirebbe semplicemente in esso facilmente, forse rallentando un po' nell'altro ramo più stretto. Nel nuovo modello, le forze magnetiche cambiavano completamente l'esito. I ricercatori hanno scoperto che gli effetti magnetici rendevano molto più difficile per un segnale attraversare un bivio. Infatti, il segnale non riusciva a passare in un ramo secondario a una dimensione molto più piccola di quanto la vecchia teoria prevedesse. Era come se il campo magnetico creasse un muro invisibile, bloccando il segnale prima che potesse raggiungere il punto in cui la vecchia teoria diceva che avrebbe dovuto fermarsi. Ciò significa che, nel vero cervello, la soglia per cui un segnale rimane bloccato a un punto di ramificazione è più bassa di quanto pensassimo; il segnale è più fragile in questi bivi di quanto precedentemente creduto.

Lo studio ha anche esaminato cosa accade quando due rami hanno esattamente la stessa dimensione. Secondo le vecchie regole, se un segnale arriva a una biforcazione dove entrambi i percorsi sono identici, dovrebbe dividersi perfettamente in modo equo, viaggiando in entrambi i rami alla stessa velocità. Le nuove simulazioni hanno mostrato che questa perfetta simmetria può essere spezzata da un campo magnetico esterno. Se si applica un campo magnetico lateralmente, il segnale accelera in un ramo e rallenta nell'altro, anche se i rami sono fisicamente identici. La forza magnetica spinge le cariche elettriche in modo diverso a seconda della direzione in cui si muovono rispetto al campo. Ciò suggerisce che il cablaggio del cervello potrebbe essere sensibile all'ambiente magnetico in modi che non avevamo mai considerato, permettendo potenzialmente ai campi magnetici esterni di alterare sottilmente il modo in cui le informazioni vengono instradate attraverso un singolo neurone.

Forse il risultato più sorprendente riguardava la velocità del segnale stesso. Per molto tempo, gli scienziati hanno creduto che la velocità di un segnale nervoso aumentasse con la radice quadrata dello spessore dell'assone. Un filo più spesso significa meno resistenza, quindi il segnale viaggia più velocemente. Questa regola è rimasta valida per fili sottili e medi nelle nuove simulazioni. Tuttavia, quando i ricercatori hanno reso il ramo principale molto spesso, il segnale non è diventato sempre più veloce. Al contrario, ha incontrato un muro. Il feedback magnetico è diventato così forte ai grandi diametri dei cavi che ha effettivamente rallentato il segnale e, in alcuni casi, lo ha fermato completamente prima ancora che potesse lasciare il punto di partenza. La vecchia teoria prevedeva che un filo molto spesso sarebbe sempre stato un'autostrada per i segnali, ma il nuovo modello mostra che esiste un limite. Se il filo è troppo spesso, le forze magnetiche generate dal massiccio flusso di corrente creano un ciclo di feedback che blocca il segnale.

Queste scoperte derivano da una sofisticata simulazione al computer che ha combinato le equazioni dei circuiti elettrici con le equazioni dei campi magnetici. I ricercatori non hanno solo tirato a indovinare; hanno costruito un sistema che risolveva queste equazioni passo dopo passo, tracciando come la tensione, la corrente e il campo magnetico cambiassero insieme nel tempo. Hanno verificato il loro lavoro assicurandosi che la quantità totale di corrente che entrava in un bivio corrispondesse sempre alla quantità totale che ne usciva, una legge fondamentale della fisica. Quando hanno aggiunto i termini magnetici, hanno scoperto che l'equilibrio richiedeva un nuovo modo di calcolare come il segnale dovesse dividersi. Hanno proposto una nuova formula che include questi effetti magnetici, la quale cambia il modo in cui dobbiamo pensare alla geometria delle ramificazioni nervose.

Le implicazioni di questo lavoro sono significative per la nostra comprensione del cervello. Se gli effetti magnetici sono reali e misurabili, allora il modo in cui i segnali viaggiano attraverso le complesse strutture ramificate dei nostri neuroni è più complicato di quanto suggeriscano i semplici modelli elettrici. Il cervello potrebbe essere più sensibile ai campi magnetici di quanto pensassimo, e le regole su come i segnali falliscono o hanno successo nei punti di ramificazione potrebbero dover essere riscritte. I ricercatori suggeriscono che gli studi futuri dovrebbero cercare questi effetti nei tessuti biologici reali, magari utilizzando misurazioni ad alta risoluzione per vedere se i segnali si comportano come previsto dalle simulazioni. Per ora, questo lavoro rimane un promemoria del fatto che, anche nel minuscolo e affollato mondo di una cellula nervosa, le forze dell'elettricità e del magnetismo sono inestricabilmente legate, plasmando il flusso stesso del pensiero e della sensazione in modi che i vecchi e più semplici modelli non potevano vedere.