Il controllo dell'informazione sensoriale che proviene dai recettori dell'orecchio interno si attua a livello periferico tramite fibre efferenti di origine centrale che decorrono nell’VIII nervo unitamente alle fibre afferenti. Nell'epitelio sensoriale dei vertebrati inferiori le terminazioni delle fibre efferenti contraggono rapporti sinaptici con la base delle cellule cigliate in regioni vicine a quelle delle fibre afferenti; nei mammiferi sono state descritte anche fibre efferenti che si congiungono sinapticamente con terminazioni nervose di fibre afferenti. Anche i recettori dell'organo sensoriale della linea laterale dei pesci e degli anfibi, morfologicamente simili a quelli cocleari e vestibolari, ricevono direttamente una innervazione efferente. Le sinapsi efferenti in tutti questi tipi di recettori hanno carattere inibitorio, infatti la loro attivazione provoca una diminuzione della scarica afferente sia spontanea che evocata. Tuttavia il meccanismo con cui il sistema efferente agisce sulle cellule sensoriali é stato studiato in modo adeguato solo a livello degli organi della linea laterale. Prove indirette indicano la natura colinergica delle fibre efferenti sia nell'organo sensoriale della linea laterale che in quello della coclea. In una precedente ricerca ci é stato possibile ottenere buone derivazioni endocellulari di EPSPs e potenziali propagati da singole fibre del nervo ampollare del canale posteriore nel labirinto della rana, sia in condizioni dì riposo che di stimolazione rotazionale. Questo ci ha consentito di approfondire lo studio degli effetti dell'attivazione del sistema efferente sulla scarica dei recettori ampollari di questo animale. Inizialmente il ramo ampollare del canale posteriore, staccato dall'VIII nervo, era aspirato in una pipetta che fungeva da elettrodofluido stimolante. La derivazione- endocellulare veniva effettuata tramite microelettrodi di vetro ad elevata impedenza (30 - 40 MΩ) infissi nelle fibre nervose in prossimità delle giunzioni citoneurali. In condizioni di riposo e stato possibile dimostrare che la stimolazione elettrica del nervo ampollare a diverse frequenze (10 - 20 - 30/sec) determinava, accanto all'insorgenza di potenziali antidromici, una diminuzione dell'ampiezza degli EPSPs e della frequenza sia degli EPSPs che dei potenziali propagati. La scarica spontanea diminuiva progressivamente all'aumentare della frequenza di stimolazione, e nella maggior parte delle unità la stimolazione a 50/sec provocava la completa scomparsa di ogni attività afferente. Poiché, con questa disposizione sperimentale venivano stimolate in modo massivo sia le fibre efferenti che quelle afferenti, per escludere che l'arrivo degli impulsi antidromici alle terminazioni nervose afferenti potesse in qualche modo deprimerne l'eccitabilità contribuendo a determinare l'effetto inibitorio osservato, si é cercata una condizione sperimentale che permettesse nel preparato isolato di stimolare le sole fibre efferenti. Siamo partiti dall'ipotesi che almeno una parte delle fibre efferenti potessero dare tramite collaterali rami a più di un canale. Per verificare questa possibilità la branca anteriore dell’VIII nervo, che comprende i rami ampollari dei canali anteriore ed orizzontale, veniva separata dalle rispettive ampolle ed aspirata nell'elettrodo fluido stimolante. Utilizzando le stesse frequenze di stimolazione é risultato subito evidente che era possibile inibire l'attività spontanea sia sottoliminare che propagata nella maggior parte delle fibre del canale posteriore senza osservare la comparsa di potenziali antidromici. L'intensità e l'andamento temporale dell'inibizione erano identici a quelli osservati nelle precedenti condizioni sperimentali. L'effetto inibitorio é apparso in ambedue le condizioni di stimolazione particolarmente intenso esso infatti consentiva non solo di ridurre la scarica spontanea, ma di bloccarla completamente. Inoltre l'inibizione poteva essere mantenuta per lunghi periodi di stimolazione (5-10 sec). Al cessare dello stimolo si è sempre osservato per qualche secondo nelle fibre impalate un aumento notevole della frequenza sia degli EPSPs che dei potenziali propagati rispetto a quella derivata in condizioni di riposo. La frequenza di questa scarica postinibitoria cresceva in funzione della durata della stimolazione. La possibilità di attivare estesamente il sistema efferente di un canale stimolando i rami ampollari degli altri canali dimostra che molte delle fibre efferenti sono comuni ai diversi organi di uno stesso labirinto. Inoltre l’inibizione completa che si può ottenere nella maggior parte delle unità dimostra come questo tipo di innervazione efferente sia funzionalmente molto efficace. La mancanza di potenziali antidromici nelle fibre impalate tende invece ad escludere che esista una ramificazione notevole delle fibre afferenti. La possibilità di attivare il sistema efferente in modo da ottenere inibizioni così intense e durature dell'attività spontanea ci hanno indotto a verificarne l'efficacia sulla risposta evocata dei recettori ampollari. A tale scopo il labirinto isolato era collocato sul piano di una apposita tavola rotante che consentiva di ottenere derivazioni endocellulari durante rotazioni controllate. Il canale posteriore da cui erano ottenute le derivazioni era orientato sul piano di rotazione in modo da essere stimolato elettivamente. La stimolazione rotazionale consisteva in variazioni sinusoidali di velocità (10-110 deg/s) alla frequenza di 0.1 Hz, sovrapposte ad una rotazione a velocità costante (60 deg/s). La stimolazione elettrica delle fibre efferenti si rivelava in grado di bloccare in modo completo, nella maggior parte delle unità. La risposta evocata dalla fase di accelerazione della sinusoide. Inoltre in alcune unità era possibile mantenere l’inibizione della scarica afferente per più di un ciclo di stimolazione. Il massimo effetto inibitorio sulla risposta evocata, così come sull’attività spontanea, si otteneva stimolando le fibre efferenti con frequenze attorno ai 50/s. In esperimenti successivi abbiamo voluto verificare la natura del mediatore chimico del sistema efferente. Come è già stato precedentemente ricordato si ritiene che in strutture morfologicamente simili all’apparato vestibolare della rana, la trasmissione a livello delle sinapsi efferenti sia mediata dall'acetilcolina. Questa possibilità é stata indagata studiando sia l'effetto della stimolazione delle fibre efferenti in presenza di curaro che l'azione dell'acetilcolina sulla scarica dei recettori ampollari. L'aggiunta al bagno di curaro in concentrazione 10-6 M rendeva già dopo pochi minuti completamente inefficace la stimolazione delle fibre efferenti sull'attività afferente. Per quanto riguarda l'acetilcolina, nell'impossibilità tecnica di applicare iontoforeticamente la sostanza alle sinapsi efferenti data la loro inaccessibilità, essa veniva aggiunta al bagno. Concentrazioni molto elevate di acetilcolina (10-2 M) provocavano una rapida e consistente diminuzione della scarica afferente, simile a quella pro¬dotta dall'attivazione del sistema efferente, dopo qualche secondo la frequenza di scarica tornava ai valori normali; tuttavia se l'acetilcolina a questa concentrazione veniva lasciata ulteriormente a contatto con il preparato si osservava una progressiva ed irreversibile scomparsa di ogni attività probabilmente dovuta ad un effetto aspecifico della sostanza. In presenza di acetilcolina 10 -4 M non si notava invece alcuna diminuzione della scarica dei recettori, ma dopo qualche minuto si poteva osservare la soppressione completa dell'inibizione evocata dalla stimolazione elettrica delle fibre efferenti. Questa scomparsa si può interpretare come dovuta ad un fenomeno di desensibilizzazione dei recettori colinergici che probabilmente é favorito dalla modalità con cui l'acetilcolina é stata da noi applicata. Infatti l'acetilcolina aggiunta al bagno può trovare delle barriere di diffusione rappresentate dalle guaine connettivali del nervo e della parete del canale e giungere ai recettori colinergici in concentrazione tale da non attivarne contemporaneamente un numero sufficiente a determinare un effetto inibitorio osservabile sulla scarica afferente. Tuttavia il lungo tempo di permanenza della sostanza a livello delle sinapsi efferenti, anche se in concentrazione non adeguata a produrre l'effetto inibitorio, potrebbe provocare una desensibilizzazione permanente dei recettori colinergici. Queste prove farmacologiche, pur se indirette indicano la natura colinergica delle fibre efferenti che innervano i canali semicircolari. Esistono prove attendibili che fibre che appartengono al sistema efferente inibitorio negli organi vestibolari della rana fanno parte di un circuito neuronico di feedback, infatti le fibre afferenti che provengono da un dato organo labirintico possono porsi in sinapsi con neuroni centrali localizzati nel lobo auricolare del cervelletto e nei nuclei vestibolari; gli assoni di questi neuroni ritornano alla periferia e si mettono in sinapsi con le cellule sensoriali dello stesso organo esercitando su di esse un effetto inibitorio. I nostri esperimenti hanno messo in evidenza una estesa ramificazione delle fibre efferenti così che una singola fibra può mandare collaterali a tutti e tre i canali semicircolari. Quindi il sistema efferente, od almeno una parte di esso, ha un carattere diffuso e consente ai centri nervosi di esercitare un controllo globale sull'informazione sensoriale che proviene dall'intero labirinto. Non deve essere dimenticato infine che per l'intensità con cui può frenare le risposte agli stimoli, il sistema efferente inibitorio potrebbe essere un fattore determinante nell'adattamento della scarica dei recettori ampollari.

Azione del sistema efferente sulla scarica afferente derivata da singole fibre nel labirinto della rana

ROSSI, Marialisa;
1977

Abstract

Il controllo dell'informazione sensoriale che proviene dai recettori dell'orecchio interno si attua a livello periferico tramite fibre efferenti di origine centrale che decorrono nell’VIII nervo unitamente alle fibre afferenti. Nell'epitelio sensoriale dei vertebrati inferiori le terminazioni delle fibre efferenti contraggono rapporti sinaptici con la base delle cellule cigliate in regioni vicine a quelle delle fibre afferenti; nei mammiferi sono state descritte anche fibre efferenti che si congiungono sinapticamente con terminazioni nervose di fibre afferenti. Anche i recettori dell'organo sensoriale della linea laterale dei pesci e degli anfibi, morfologicamente simili a quelli cocleari e vestibolari, ricevono direttamente una innervazione efferente. Le sinapsi efferenti in tutti questi tipi di recettori hanno carattere inibitorio, infatti la loro attivazione provoca una diminuzione della scarica afferente sia spontanea che evocata. Tuttavia il meccanismo con cui il sistema efferente agisce sulle cellule sensoriali é stato studiato in modo adeguato solo a livello degli organi della linea laterale. Prove indirette indicano la natura colinergica delle fibre efferenti sia nell'organo sensoriale della linea laterale che in quello della coclea. In una precedente ricerca ci é stato possibile ottenere buone derivazioni endocellulari di EPSPs e potenziali propagati da singole fibre del nervo ampollare del canale posteriore nel labirinto della rana, sia in condizioni dì riposo che di stimolazione rotazionale. Questo ci ha consentito di approfondire lo studio degli effetti dell'attivazione del sistema efferente sulla scarica dei recettori ampollari di questo animale. Inizialmente il ramo ampollare del canale posteriore, staccato dall'VIII nervo, era aspirato in una pipetta che fungeva da elettrodofluido stimolante. La derivazione- endocellulare veniva effettuata tramite microelettrodi di vetro ad elevata impedenza (30 - 40 MΩ) infissi nelle fibre nervose in prossimità delle giunzioni citoneurali. In condizioni di riposo e stato possibile dimostrare che la stimolazione elettrica del nervo ampollare a diverse frequenze (10 - 20 - 30/sec) determinava, accanto all'insorgenza di potenziali antidromici, una diminuzione dell'ampiezza degli EPSPs e della frequenza sia degli EPSPs che dei potenziali propagati. La scarica spontanea diminuiva progressivamente all'aumentare della frequenza di stimolazione, e nella maggior parte delle unità la stimolazione a 50/sec provocava la completa scomparsa di ogni attività afferente. Poiché, con questa disposizione sperimentale venivano stimolate in modo massivo sia le fibre efferenti che quelle afferenti, per escludere che l'arrivo degli impulsi antidromici alle terminazioni nervose afferenti potesse in qualche modo deprimerne l'eccitabilità contribuendo a determinare l'effetto inibitorio osservato, si é cercata una condizione sperimentale che permettesse nel preparato isolato di stimolare le sole fibre efferenti. Siamo partiti dall'ipotesi che almeno una parte delle fibre efferenti potessero dare tramite collaterali rami a più di un canale. Per verificare questa possibilità la branca anteriore dell’VIII nervo, che comprende i rami ampollari dei canali anteriore ed orizzontale, veniva separata dalle rispettive ampolle ed aspirata nell'elettrodo fluido stimolante. Utilizzando le stesse frequenze di stimolazione é risultato subito evidente che era possibile inibire l'attività spontanea sia sottoliminare che propagata nella maggior parte delle fibre del canale posteriore senza osservare la comparsa di potenziali antidromici. L'intensità e l'andamento temporale dell'inibizione erano identici a quelli osservati nelle precedenti condizioni sperimentali. L'effetto inibitorio é apparso in ambedue le condizioni di stimolazione particolarmente intenso esso infatti consentiva non solo di ridurre la scarica spontanea, ma di bloccarla completamente. Inoltre l'inibizione poteva essere mantenuta per lunghi periodi di stimolazione (5-10 sec). Al cessare dello stimolo si è sempre osservato per qualche secondo nelle fibre impalate un aumento notevole della frequenza sia degli EPSPs che dei potenziali propagati rispetto a quella derivata in condizioni di riposo. La frequenza di questa scarica postinibitoria cresceva in funzione della durata della stimolazione. La possibilità di attivare estesamente il sistema efferente di un canale stimolando i rami ampollari degli altri canali dimostra che molte delle fibre efferenti sono comuni ai diversi organi di uno stesso labirinto. Inoltre l’inibizione completa che si può ottenere nella maggior parte delle unità dimostra come questo tipo di innervazione efferente sia funzionalmente molto efficace. La mancanza di potenziali antidromici nelle fibre impalate tende invece ad escludere che esista una ramificazione notevole delle fibre afferenti. La possibilità di attivare il sistema efferente in modo da ottenere inibizioni così intense e durature dell'attività spontanea ci hanno indotto a verificarne l'efficacia sulla risposta evocata dei recettori ampollari. A tale scopo il labirinto isolato era collocato sul piano di una apposita tavola rotante che consentiva di ottenere derivazioni endocellulari durante rotazioni controllate. Il canale posteriore da cui erano ottenute le derivazioni era orientato sul piano di rotazione in modo da essere stimolato elettivamente. La stimolazione rotazionale consisteva in variazioni sinusoidali di velocità (10-110 deg/s) alla frequenza di 0.1 Hz, sovrapposte ad una rotazione a velocità costante (60 deg/s). La stimolazione elettrica delle fibre efferenti si rivelava in grado di bloccare in modo completo, nella maggior parte delle unità. La risposta evocata dalla fase di accelerazione della sinusoide. Inoltre in alcune unità era possibile mantenere l’inibizione della scarica afferente per più di un ciclo di stimolazione. Il massimo effetto inibitorio sulla risposta evocata, così come sull’attività spontanea, si otteneva stimolando le fibre efferenti con frequenze attorno ai 50/s. In esperimenti successivi abbiamo voluto verificare la natura del mediatore chimico del sistema efferente. Come è già stato precedentemente ricordato si ritiene che in strutture morfologicamente simili all’apparato vestibolare della rana, la trasmissione a livello delle sinapsi efferenti sia mediata dall'acetilcolina. Questa possibilità é stata indagata studiando sia l'effetto della stimolazione delle fibre efferenti in presenza di curaro che l'azione dell'acetilcolina sulla scarica dei recettori ampollari. L'aggiunta al bagno di curaro in concentrazione 10-6 M rendeva già dopo pochi minuti completamente inefficace la stimolazione delle fibre efferenti sull'attività afferente. Per quanto riguarda l'acetilcolina, nell'impossibilità tecnica di applicare iontoforeticamente la sostanza alle sinapsi efferenti data la loro inaccessibilità, essa veniva aggiunta al bagno. Concentrazioni molto elevate di acetilcolina (10-2 M) provocavano una rapida e consistente diminuzione della scarica afferente, simile a quella pro¬dotta dall'attivazione del sistema efferente, dopo qualche secondo la frequenza di scarica tornava ai valori normali; tuttavia se l'acetilcolina a questa concentrazione veniva lasciata ulteriormente a contatto con il preparato si osservava una progressiva ed irreversibile scomparsa di ogni attività probabilmente dovuta ad un effetto aspecifico della sostanza. In presenza di acetilcolina 10 -4 M non si notava invece alcuna diminuzione della scarica dei recettori, ma dopo qualche minuto si poteva osservare la soppressione completa dell'inibizione evocata dalla stimolazione elettrica delle fibre efferenti. Questa scomparsa si può interpretare come dovuta ad un fenomeno di desensibilizzazione dei recettori colinergici che probabilmente é favorito dalla modalità con cui l'acetilcolina é stata da noi applicata. Infatti l'acetilcolina aggiunta al bagno può trovare delle barriere di diffusione rappresentate dalle guaine connettivali del nervo e della parete del canale e giungere ai recettori colinergici in concentrazione tale da non attivarne contemporaneamente un numero sufficiente a determinare un effetto inibitorio osservabile sulla scarica afferente. Tuttavia il lungo tempo di permanenza della sostanza a livello delle sinapsi efferenti, anche se in concentrazione non adeguata a produrre l'effetto inibitorio, potrebbe provocare una desensibilizzazione permanente dei recettori colinergici. Queste prove farmacologiche, pur se indirette indicano la natura colinergica delle fibre efferenti che innervano i canali semicircolari. Esistono prove attendibili che fibre che appartengono al sistema efferente inibitorio negli organi vestibolari della rana fanno parte di un circuito neuronico di feedback, infatti le fibre afferenti che provengono da un dato organo labirintico possono porsi in sinapsi con neuroni centrali localizzati nel lobo auricolare del cervelletto e nei nuclei vestibolari; gli assoni di questi neuroni ritornano alla periferia e si mettono in sinapsi con le cellule sensoriali dello stesso organo esercitando su di esse un effetto inibitorio. I nostri esperimenti hanno messo in evidenza una estesa ramificazione delle fibre efferenti così che una singola fibra può mandare collaterali a tutti e tre i canali semicircolari. Quindi il sistema efferente, od almeno una parte di esso, ha un carattere diffuso e consente ai centri nervosi di esercitare un controllo globale sull'informazione sensoriale che proviene dall'intero labirinto. Non deve essere dimenticato infine che per l'intensità con cui può frenare le risposte agli stimoli, il sistema efferente inibitorio potrebbe essere un fattore determinante nell'adattamento della scarica dei recettori ampollari.
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