Metodi e modelli di evoluzione stocastica

I neuroni sono cellule nervose che trasportano informazioni sotto forma di impulsi elettrici e messaggeri chimici. Queste cellule possono avere forme o dimensioni diverse ma hanno tutte una struttura caratteristica. Possiedono un corpo cellulare (o soma) da cui si dipartono due tipi di estensioni: quelle più corte e numerose sono i dendriti che trasportano al corpo cellulare i segnali provenienti dalle altre cellule; quelle più lunghe (a volte possono raggiungere un metro di lunghezza) sono gli assoni. Questi ultimi trasportano le informazioni dal corpo cellulare alle altre cellule. La velocità di conduzione degli impulsi negli assoni giganti, quali quelli del calamaro, può raggiungere i 10m/s, mentre la maggior parte dei neuroni ha assoni molto più piccoli che condurrebbero gli impulsi molto più lentamente se non fossero dotati di guaina mielina. La maggior parte degli assoni dei vertebrati infatti è avvolta da una guaina mielinica che permette una conduzione molto più rapida degli impulsi. La guaina isola la maggior parte della membrana dell'assone impedendo il passaggio degli ioni attraverso di essa.La depolarizzazione e il flusso ionico avvengono soloi n corrispondenza dei nodi di Ranvier, spazi privi di guaina mielinica situati a intervalli di 1 mm circa. In questo modo l'impulso non si muove in maniera continua lungo l'assone ma salta da un nodo all'altro raggiungendo velocità fino a 120m/s. Utilizzando il paragone adottato da Torcini possiamo dire che i dendriti rappresentano l'input, gli assoni l'output e il corpo cellulare costituisce il processore, l'unità di elaborazione delle informazioni. Tale elaborazione avviene attraverso segnali elettrici dovuti a differenze di potenziale associate a correnti elettriche di natura ionica che attraversano la membrana cellulare del neurone.

La membrana cellulare è composta da una matrice formata da un doppio strato fosfolipidico in cui si trovano molecole proteiche che attraversano tutto lo spessore della membrana mettendo in connessione l'interno della cellula con il liquido extra-cellulare e per questo motivo vengono chiamate canali. La membrana consente il passaggio di particolari molecole o ioni attraverso questi canali, ma contemporaneamente costituisce anche una barriera. Alcuni tipi di molecole riescono ad attraversare la membrana sciogliendosi nello strato lipidico e ricomponendosi una volta superata la barriera. Gli ioni inorganici quali sodio, potassio, cloro e calcio costituiscono le correnti ioniche alla base dell'attività neuronale. Essi attraversano la membrana legandosi a delle molecole di trasporto oppure utilizzando i canali proteici. Durante la generazione di un segnale vengono utilizzati quasi esclusivamente i canali, dal momento che le molecole di trasporto non sono in numero sufficiente rispetto al numero di ioni coinvolti nei flussi. A loro volta, però, i canali possono impedire il passaggio di ioni attraverso dei filtri di selettività che dipendono dalle dimensioni e dalle caratteristiche chimico-fisiche degli ioni. All'interno dei canali ci sono una serie di porte (gates) che si aprono e chiudono in maniera stocastica. Nella situazione di riposo predomina lo stato di chiusura, che essendo un evento stocastico è da intendersi come una maggiore probabilità che la porta sia chiusa. I canali che intervengono nella dinamica neuronale sono quelli a voltaggio-attivato, cioè l'apertura dei canali è regolata dal potenziale di membrana. L'attività dei canali fa sì che l'interno della cellula abbia una concentrazione diversa di ioni e molecole rispetto all'esterno, generando così a cavallo della membrana un gradiente di concentrazione che è fonte di energia potenziale. Quando il gradiente di concentrazione comporta la presenza di una differenza di cariche elettriche trai due lati della membrana si instaura un potenziale elettrico o gradiente elettrico. Quando il neurone è a riposo il potenziale assume un valore caratteristico detto potenziale di riposo che di solito vale circa 70mV , ma quando si ha un impulso nervoso questo valore si inverte per una frazione di secondo e l'inversione si trasmette lungo tutta la membrana. L'improvvisa variazione elettrica che si verifica durante un impulso si chiama potenziale d'azione. Una volta generato, il potenziale d'azione viaggia lungo l'assone ed è trasmesso agli altri neuroni. Esso costituisce l'unità elementare associata alla trasmissione dei segnali neuronali. Quindi quando si parla di segnali ci si riferisce alla sequenza di questi potenziali d'azione che viene detta treno di impulsi (spicce train).