Simulazione MATLAB del potenziale d'azione nei neuroni con il modello di Hodgkin-Huxley in presenza di correnti ioniche mediate dai canali HCN

L’elaborato parte analizzando i principi elettrofisiologici che sottostanno alla generazione del potenziale d’azione nelle cellule nervose. Vengono descritte quindi le principali caratteristiche della membrana cellulare e si presentano le dinamiche dei canali ionici. Si considera in particolare il modello di generazione del potenziale d’azione introdotto dai due fisiologi biofisici inglesi Alan Lloyd Hodgkin e Andrew Fielding Huxley, le cui equazioni, risolte numericamente servendosi del software MATLAB, permettono di ottenere una simulazione dell’andamento della tensione di trans-membrana e delle variabili che descrivono l’attività dei canali ionici. Ci si concentra poi su un particolare tipo di canali ionici, denominati HCN (Hyperpolarization-activated Cyclic Nucleotide-gated channels), i quali sono mediatori di una corrente ionica in risposta ad un’iperpolarizzazione della membrana cellulare. Essi sono inseriti nel contesto di una ricerca condotta da Lezmy et al., pubblicata il 15 ottobre 2021 sulla rivista Science. I ricercatori hanno evidenziato il ruolo di questi canali nella generazione e propagazione del potenziale d’azione nei neuroni corticali con assoni mielinizzati, che attraversano il corpo calloso. Tali canali si aprono in seguito a una catena di reazioni chimiche, alla base della quale sono coinvolti gli astrociti e nella quale assume un ruolo fondamentale l’adenosina. Partendo dal modello di Hodgkin-Huxley e introducendo il contributo della corrente ionica mediata dai canali HCN, modellata avvalendosi delle misure sperimentali effettuate da Lezmy et al., vengono discussi, sulla base di simulazioni MATLAB, i risultati ottenuti dall’equipe di ricerca. In particolare, si analizzano i cambiamenti di alcune caratteristiche del potenziale d’azione generato nel segmento iniziale dell’assone a seguito dell’attività dei canali HCN, come ad esempio l’aumento del firing rate, fatto che costituisce una delle tesi sostenute dai neuroscienziati. Dalle simulazioni al calcolatore è emerso che la sola presenza dei suddetti canali non costituisce una prova esaustiva in grado di spiegare la particolare dinamica emersa nei risultati sperimentali dei ricercatori. Si procede, infine, alla formulazione di un’ipotesi, le cui implicazioni siano sufficientemente coerenti con quanto osservato nelle rappresentazioni dei risultati dello studio. Si è pensato di valutare il contributo di una corrente con le stesse caratteristiche di quella mediata dai canali M del potassio, in grado di frenare la frequenza di scarica del potenziale d’azione. Dopo aver implementato nell’ambiente MATLAB il nuovo modello, si sono analizzati i risultati ed è emerso come tale ipotesi possa considerarsi adatta a spiegare soprattutto la particolare morfologia assunta dal potenziale d’azione nei risultati sperimentali di Lezmy et al.