Con l’espressione potenziali bioelettrici si designa l’insieme delle manifestazioni elettriche che si generano nei tessuti viventi. Tali fenomeni derivano dall’esistenza di differenze di potenziale elettrico (d.d.p.) tra regioni diverse dell’organismo e possono assumere un andamento stazionario oppure transitorio. L’esempio classico del regime stazionario è il potenziale di membrana a riposo, sostenuto da gradienti ionici e da una permeabilità selettiva mediata da canali e pompe transmembranarie. In condizioni opportune, la stessa membrana produce segnali variabili nel tempo: tra questi, il potenziale d’azione è una rapida deviazione del potenziale di riposo, generata dall’apertura coordinata di canali voltaggio-dipendenti. Questa risposta è proprietà di membrane eccitabili, capaci di modificare temporaneamente e localmente la propria permeabilità in seguito a stimolazioni elettriche, chimiche o meccaniche.

Il potenziale di membrana può essere interpretato, in prima approssimazione, attraverso il contributo dei singoli ioni con potenziale di equilibrio \( E_i = \frac{RT}{zF}\ln\frac{[i]_o}{[i]_i} \), mentre il valore effettivo \( V_m \) risulta dalla combinazione delle conduttanze ioniche dominanti. L’innesco del potenziale d’azione richiede il superamento di una soglia, oltre la quale la conduttanza al sodio aumenta rapidamente e determina la fase di depolarizzazione, seguita dall’attivazione dei canali del potassio e dalla ripolarizzazione; la sequenza è descritta in modo canonico dai modelli biocinetici di Hodgkin e Huxley.

I potenziali d’azione, considerati in base al contesto anatomico e funzionale, si distinguono in due insiemi principali:

• Neuroni e fibre nervose: in questi elementi il potenziale d’azione si origina tipicamente in regioni con alta densità di canali voltaggio-dipendenti (ad esempio il segmento iniziale dell’assone) e si propaga in modo rigenerativo lungo le fibre nervose; la codifica dell’informazione dipende dalla frequenza e dal pattern dei treni di impulsi e dalla successiva trasmissione sinaptica, elettrica o chimica;
• Cellule muscolari e strutture effettorie: nelle fibre muscolari scheletriche, cardiache o lisce, nonché in cellule secernenti, il potenziale d’azione si propaga lungo la membrana e i sistemi tubulari, attivando l’accoppiamento eccitazione-contrazione o processi di secrezione, come il rilascio di ormoni o neurotrasmettitori.

I due sottosistemi sono intimamente integrati: spesso i potenziali d’azione muscolari sono avviati da segnali nervosi motori o autonomi; viceversa, le afferenze sensoriali generano potenziali nervosi che modulano risposte effettorie periferiche. Nel cuore, reti specializzate (nodo senoatriale, nodo atrioventricolare, sistema di Purkinje) coordinano la propagazione dell’eccitazione per assicurare la sincronia meccanica.

Una manifestazione macroscopica dei fenomeni elettrici biologici è fornita dai tracciati ottenuti alla superficie del corpo mediante la misura della d.d.p. tra elettrodi: elettrocardiogramma (ECG), elettroencefalogramma (EEG) ed elettromiogramma (EMG). In ciascun caso il segnale rilevato è la risultante spaziale e temporale di correnti di volume prodotte da ampie popolazioni cellulari:

• ECG: le onde registrate sono espressione della sequenza di depolarizzazione e ripolarizzazione del miocardio atriale e ventricolare; la morfologia del complesso P–QRS–T riflette la direzione, la velocità e l’ordine della propagazione dei potenziali d’azione nelle diverse regioni cardiache;
• EEG: il segnale scalpico deriva prevalentemente dalla sommazione sincrona dei potenziali postsinaptici nelle cellule piramidali corticali, orientate perpendicolarmente alla superficie; le variazioni nel tempo e nelle bande di frequenza sono correlate a stati funzionali e a dinamiche di reti neuronali, più che alla singola propagazione assonale;
• EMG: la registrazione di superficie o con ago evidenzia i potenziali di unità motoria e la loro recluta; l’analisi temporale e spettrale consente di valutare l’integrità neuromuscolare e le proprietà di contrazione delle fibre.

In sintesi, i potenziali d’azione, nati a livello di membrane eccitabili e trasmessi lungo reti cellulari, generano correnti di volume che, integrate nel tessuto, danno origine ai tracciati macroscopici come ECG, EEG ed EMG, strumenti cardine per l’interpretazione funzionale di cuore, cervello e sistema muscolare.