Teoría cable [ editar ]
El flujo de corrientes dentro de un axón se puede describir cuantitativamente mediante la teoría del cable [53] y sus elaboraciones, como el modelo compartimental. [54] La teoría del cable fue desarrollada en 1855 por Lord Kelvinpara modelar el cable telegráfico transatlántico [x] y se demostró que era relevante para las neuronas por Hodgkiny Rushton en 1946. [y] En la teoría simple del cable, la neurona se trata como una Cable de transmisión eléctricamente pasivo y perfectamente cilíndrico, que se puede describir mediante una ecuación diferencial parcial [53]
donde V ( x , t ) es el voltaje a través de la membrana en un tiempo t y una posición x a lo largo de la neurona, y donde λ y τ son las escalas características de longitud y tiempo en las que esos voltajes decaen en respuesta a un estímulo . Refiriéndose al diagrama del circuito a la derecha, estas escalas se pueden determinar a partir de las resistencias y capacitancias por unidad de longitud. [55]
Estas escalas de tiempo y longitud se pueden usar para comprender la dependencia de la velocidad de conducción en el diámetro de la neurona en las fibras no mielinizadas. Por ejemplo, la escala de tiempo τ aumenta tanto con la resistencia de la membrana r m como con la capacitancia c m . A medida que aumenta la capacitancia, se debe transferir más carga para producir un voltaje transmembrana determinado (mediante la ecuación Q = CV ); a medida que aumenta la resistencia, se transfiere menos carga por unidad de tiempo, lo que hace que el equilibrio sea más lento. De manera similar, si la resistencia interna por unidad de longitud r ies más bajo en un axón que en otro (por ejemplo, debido a que el radio del primero es más grande), la longitud de decaimiento espacial λ se hace más larga y la velocidad de conducción de un potencial de acción debería aumentar. Si la resistencia transmembrana r m aumenta, eso reduce la corriente de "fuga" promedio a través de la membrana, lo que también provoca que λ se haga más larga, lo que aumenta la velocidad de conducción.
Terminación [ editar ]
Sinapsis químicas [ editar ]
En general, los potenciales de acción que alcanzan las perillas sinápticas hacen que un neurotransmisor se libere en la hendidura sináptica. [z] Los neurotransmisores son pequeñas moléculas que pueden abrir canales iónicos en la célula postsináptica; la mayoría de los axones tienen el mismo neurotransmisor en todos sus extremos. La llegada del potencial de acción abre canales de calcio sensibles a la tensión en la membrana presináptica; La entrada de calcio hace que las vesículas llenas de neurotransmisores migren a la superficie de la célula y liberen su contenido en la hendidura sináptica . [aa] Este complejo proceso es inhibido por las neurotoxinas tetanospasmina y toxina botulínica., que son responsables del tétanos y el botulismo , respectivamente. [ab]
Sinapsis electricas [ editar ]
Algunas sinapsis prescinden del "intermediario" del neurotransmisor y conectan las células presinápticas y postsinápticas entre sí. [ac] Cuando un potencial de acción alcanza tal sinapsis, las corrientes iónicas que fluyen hacia la célula presináptica pueden cruzar la barrera de las dos membranas celulares y entrar en la célula postsináptica a través de los poros conocidos como conexones . [ad] Por lo tanto, las corrientes iónicas del potencial de acción presináptica pueden estimular directamente la célula postsináptica. Las sinapsis eléctricas permiten una transmisión más rápida porque no requieren la difusión lenta de los neurotransmisores a través de la hendidura sináptica. Por lo tanto, las sinapsis eléctricas se utilizan cuando la respuesta rápida y la coordinación de la sincronización son cruciales, como en los reflejos de escape, la retina de vertebrados , y el corazón .
Uniones neuromusculares [ editar ]
Un caso especial de una sinapsis química es la unión neuromuscular , en la cual el axón de una neurona motoratermina en una fibra muscular . [ae] En tales casos, el neurotransmisor liberado es acetilcolina , que se une al receptor de acetilcolina, una proteína de membrana integral en la membrana (el sarcolema ) de la fibra muscular. [af] Sin embargo, la acetilcolina no permanece unida; más bien, se disocia y se hidroliza por la enzima acetilcolinesterasa., situado en la sinapsis. Esta enzima reduce rápidamente el estímulo al músculo, lo que permite regular el grado y el momento de la contracción muscular con delicadeza. Algunos venenos inactivan la acetilcolinesterasa para evitar este control, tal como el nervio agentes sarín y tabun , [ag] y los insecticidas diazinón y malatión . [ah]
Otros tipos de celdas [ editar ]
Potencial de acción cardíaco [ editar ]
El potencial de acción cardíaco difiere del potencial de acción neuronal al tener una meseta extendida, en la que la membrana se mantiene a un alto voltaje durante unos pocos cientos de milisegundos antes de ser repolarizada por la corriente de potasio como de costumbre. [ai] Esta meseta se debe a la acción de los canales de calcio más lentos que abren y mantienen el voltaje de la membrana cerca de su potencial de equilibrio incluso después de que los canales de sodio se hayan inactivado.
El potencial de acción cardíaco juega un papel importante en la coordinación de la contracción del corazón. [ai] Las células cardíacas del nódulo sinoauricular proporcionan el potencial de marcapasos que sincroniza el corazón. Los potenciales de acción de esas células se propagan hacia y a través del nodo atrioventricular ( nodo AV), que normalmente es la única vía de conducción entre las aurículas y los ventrículos . Los potenciales de acción del nodo AV viajan a través del haz de His y de allí a las fibras de Purkinje . [nota 2] Por el contrario, las anomalías en el potencial de acción cardíaco, ya sea debido a una mutación o lesión congénita, pueden conducir a patologías humanas, especialmente arritmias . [ai] Varios fármacos antiarrítmicos actúan sobre el potencial de acción cardíaco, como la quinidina , la lidocaína , los bloqueadores beta y el verapamilo . [aj]
Los potenciales de acción musculares [ editar ]
El potencial de acción en una célula muscular esquelética normal es similar al potencial de acción en las neuronas. [56] Los potenciales de acción resultan de la despolarización de la membrana celular (el sarcolema ), que abre canales de sodio sensibles al voltaje; estos se inactivan y la membrana se repolariza a través de la corriente externa de los iones de potasio. El potencial de reposo antes del potencial de acción es típicamente de -90 mV, algo más negativo que las neuronas típicas. El potencial de acción muscular dura aproximadamente 2–4 ms, el período refractario absoluto es aproximadamente 1–3 ms y la velocidad de conducción a lo largo del músculo es aproximadamente 5 m / s. El potencial de acción libera iones de calcio que liberan la tropomiosina.y permitir que el músculo se contraiga. Los potenciales de acción muscular son provocados por la llegada de un potencial de acción neuronal presináptico a la unión neuromuscular , que es un objetivo común para las neurotoxinas . [ag]
Los potenciales de acción planta [ editar ]
Las células de plantas y hongos [ak] también son eléctricamente excitables. La diferencia fundamental con respecto a los potenciales de acción animal es que la despolarización en las células vegetales no se logra mediante una captación de iones de sodio positivos, sino mediante la liberación de iones de cloruro negativos . [al] [am] [an] Junto con la siguiente liberación de iones de potasio positivos, que es común a los potenciales de acción de las plantas y los animales, el potencial de acción en las plantas infiere, por lo tanto, una pérdida osmótica de sal (KCl), mientras que el animal el potencial de acción es osmóticamente neutral, cuando cantidades iguales de entrada de sodio y salientes de potasio se cancelan entre sí osmóticamente. La interacción de las relaciones eléctricas y osmóticas en células vegetales.[ao] indica una función osmótica de la excitabilidad eléctrica en los ancestros comunes y unicelulares de plantas y animales en condiciones de salinidad cambiantes, mientras que la función actual de la transmisión rápida de la señal se ve como un logro más joven de lascélulasde metazoos en un entorno osmótico más estable. [57] Se debe suponer que la función de señalización familiar de los potenciales de acción en algunas plantas vasculares (por ejemplo, Mimosa pudica ) surgió independientemente de la de las células excitables de metazoos.
Distribución taxonómica y ventajas evolutivas [ editar ]
Los potenciales de acción se encuentran en todos los organismos multicelulares , incluyendo plantas , invertebrados como insectos y vertebrados como reptiles y mamíferos . [ap] Las esponjas parecen ser el principal phylum de los eucariotas multicelulares que no transmiten potenciales de acción, aunque algunos estudios han sugerido que estos organismos también tienen una forma de señalización eléctrica. [aq] El potencial de reposo, así como el tamaño y la duración del potencial de acción, no han variado mucho con la evolución, aunque la velocidad de conducción Varía dramáticamente con el diámetro axonal y la mielinización.
| Animal | Tipo de célula | Potencial de reposo (mV) | Aumento AP (mV) | Duración AP (ms) | Velocidad de conducción (m / s) |
|---|---|---|---|---|---|
| Calamares ( Loligo ) | Axon gigante | −60 | 120 | 0.75 | 35 |
| Lombriz de tierra (Lumbricus ) | Fibra gigante mediana | −70 | 100 | 1.0 | 30 |
| Cucaracha (Periplaneta ) | Fibra gigante | −70 | 80-104 | 0.4 | 10 |
| Rana ( rana ) | Axon del nervio ciático | −60 a −80 | 110–130 | 1.0 | 7–30 |
| Gato ( felis ) | Neurona motora espinal | −55 a −80 | 80–110 | 1–1.5 | 30–120 |
Dada su conservación a lo largo de la evolución, el potencial de acción parece conferir ventajas evolutivas. Una función de los potenciales de acción es la señalización rápida y de largo alcance dentro del organismo; La velocidad de conducción puede superar los 110 m / s, que es un tercio de la velocidad del sonido . A modo de comparación, una molécula de hormona transportada en el torrente sanguíneo se mueve a aproximadamente 8 m / s en arterias grandes. Parte de esta función es la estrecha coordinación de eventos mecánicos, como la contracción del corazón. Una segunda función es la computación asociada a su generación. Al ser una señal de todo o nada que no decae con la distancia de transmisión, el potencial de acción tiene ventajas similares a la electrónica digital. La integración de varias señales dendríticas en el montículo de axones y su umbral para formar un complejo complejo de potenciales de acción es otra forma de cálculo, una que se ha explotado biológicamente para formar generadores de patrones centrales y se imita en redes neuronales artificiales .
Métodos experimentales [ editar ]
El estudio de los potenciales de acción ha requerido el desarrollo de nuevos métodos experimentales. El trabajo inicial, antes de 1955, fue realizado principalmente por Alan Lloyd Hodgkin y Andrew Fielding Huxley , quienes, junto con John Carew Eccles , recibieron el Premio Nobel de Fisiología o Medicina de 1963 por su contribución a la descripción de la base iónica del nervio. conducción. Se centró en tres objetivos: aislar señales de neuronas o axones individuales, desarrollar componentes electrónicos rápidos y sensibles, y reducir los electrodos lo suficiente como para que se pueda registrar el voltaje dentro de una sola celda.
El primer problema se resolvió estudiando los axones gigantes que se encuentran en las neuronas del calamar ( Loligo forbesii y Doryteuthis pealeii , en el momento clasificado como Loligo pealeii ). [ar] Estos axones tienen un diámetro tan grande (aproximadamente 1 mm, o 100 veces más grande que una neurona típica) que pueden verse a simple vista, lo que los hace fáciles de extraer y manipular. [i] [as] Sin embargo, no son representativas de todas las células excitables, y se han estudiado muchos otros sistemas con potenciales de acción.
El segundo problema se abordó con el desarrollo crucial de la pinza de voltaje , [at] que permitió a los experimentadores estudiar las corrientes iónicas que subyacen en un potencial de acción aislado, y eliminaron una fuente clave de ruido electrónico , la corriente I C asociada con la capacitancia C de la membrana. [60] Dado que la corriente es igual a C por la tasa de cambio de la tensión transmembrana V m , la solución fue diseñar un circuito que mantuviera V mfijo (tasa de cambio cero) independientemente de las corrientes que fluyen a través de la membrana. Por lo tanto, la corriente requerida para mantener V m en un valor fijo es un reflejo directo de la corriente que fluye a través de la membrana. Otros avances electrónicos incluyeron el uso de jaulas y dispositivos electrónicos de Faraday con alta impedancia de entrada , de modo que la medición en sí no afectó el voltaje que se mide. [61]
El tercer problema, el de obtener electrodos lo suficientemente pequeños para registrar voltajes dentro de un solo axón sin perturbarlos, se resolvió en 1949 con la invención del electrodo de micropipeta de vidrio, [au] que fue rápidamente adoptado por otros investigadores. [av] [aw] Los refinamientos de este método pueden producir puntas de electrodo tan finas como 100 Å (10 nm ), que también confieren una alta impedancia de entrada. [62] Lospotenciales de acción también se pueden registrar con pequeños electrodos metálicos colocados justo al lado de una neurona, con neurochips que contienen EOSFET u ópticamente con tintes sensibles al Ca 2+ o al voltaje.[hacha]
Mientras que los electrodos de micropipeta de vidrio miden la suma de las corrientes que pasan a través de muchos canales iónicos, el estudio de las propiedades eléctricas de un solo canal iónico se hizo posible en la década de 1970 con el desarrollo de la pinza de parche por Erwin Neher y Bert Sakmann . Por este descubrimiento, se les otorgó el Premio Nobel de Fisiología o Medicina en 1991. [γ] El parche comprobó que los canales iónicos tienen estados discretos de conductancia, como abierto, cerrado e inactivado.
Las tecnologías de imágenes ópticas se han desarrollado en los últimos años para medir los potenciales de acción, ya sea a través de grabaciones simultáneas en varios sitios o con resolución ultra espacial. Usando tintes sensibles al voltaje , los potenciales de acción han sido registrados ópticamente desde un pequeño parche de membrana de cardiomiocitos . [sí]
Neurotoxinas [ editar ]
Varias neurotoxinas , tanto naturales como sintéticas, están diseñadas para bloquear el potencial de acción. La tetrodotoxina del pez globo y la saxitoxina del Gonyaulax (el género dinoflagelado responsable de las " mareas rojas ") bloquean los potenciales de acción al inhibir el canal de sodio sensible al voltaje; [az] de manera similar, la dendrotoxina de la mamba negraLa serpiente inhibe el canal de potasio sensible al voltaje. Dichos inhibidores de los canales iónicos sirven para un importante propósito de investigación, ya que permiten a los científicos "desactivar" los canales específicos a voluntad, aislando así las contribuciones de los otros canales; también pueden ser útiles para purificar los canales iónicos mediante cromatografía de afinidad o para evaluar su concentración. Sin embargo, tales inhibidores también producen neurotoxinas efectivas y se han considerado para su uso como armas químicas . Las neurotoxinas dirigidas a los canales iónicos de los insectos han sido insecticidas efectivos ; Un ejemplo es la permetrinasintética., que prolonga la activación de los canales de sodio involucrados en los potenciales de acción. Los canales iónicos de los insectos son lo suficientemente diferentes de sus contrapartes humanas que hay pocos efectos secundarios en los humanos.
Historia [ editar ]
El papel de la electricidad en el sistema nervioso de los animales fue observado por primera vez en las ranas disecadas por Luigi Galvani , quien lo estudió desde 1791 hasta 1797. [ba] Los resultados de Galvani estimularon a Alessandro Volta a desarrollar la pila Voltaic , la batería eléctrica más antigua conocida , con donde estudió la electricidad animal (como las anguilas eléctricas ) y las respuestas fisiológicas a los voltajes de corriente continua aplicados . [cama y desayuno]
Los científicos del siglo XIX estudiaron la propagación de señales eléctricas en nervios enteros (es decir, haces de neuronas ) y demostraron que el tejido nervioso estaba formado por células , en lugar de una red interconectada de tubos (un retículo ). [63] Carlo Matteuccisiguió los estudios de Galvani y demostró que las membranas celularestenían un voltaje que los atravesaba y podían producir corriente continua. El trabajo de Matteucci inspiró al fisiólogo alemán Emil du Bois-Reymond , quien descubrió el potencial de acción en 1843. [ cita requerida ]La velocidad de conducciónde potenciales de acción se midió por primera vez en 1850 por el amigo de du Bois-Reymond, Hermann von Helmholtz . [ cita requerida ] Para establecer que el tejido nervioso está formado por células discretas, el médico español Santiago Ramón y Cajal y sus estudiantes utilizaron una mancha desarrollada por Camillo Golgi para revelar las innumerables formas de las neuronas, que representaron cuidadosamente. Por sus descubrimientos, Golgi y Ramón y Cajal recibieron el Premio Nobel de Fisiología de 1906 . [δ] Su trabajo resolvió una controversia de larga data en la neuroanatomía del siglo XIX; El propio Golgi había defendido el modelo de red del sistema nervioso.
El siglo XX fue una época significativa para la electrofisiología. En 1902 y nuevamente en 1912, Julius Bernstein adelantó la hipótesis de que el potencial de acción resultó de un cambio en la permeabilidad de la membrana axonal a los iones. [bc] [64] La hipótesis de Bernstein fue confirmada por Ken Cole y Howard Curtis, quienes mostraron que la conductancia de la membrana aumenta durante un potencial de acción. [bd] En 1907, Louis Lapicque sugirió que el potencial de acción se generó como un umbral se cruzó, [BE] lo que se muestra más adelante como un producto de los sistemas dinámicos de conductancias iónicas. En 1949, Alan Hodgkin.y Bernard Katz refinó la hipótesis de Bernstein al considerar que la membrana axonal podría tener diferentes permeabilidades para diferentes iones; en particular, demostraron el papel crucial de la permeabilidad del sodio para el potencial de acción. [bf] Hicieron el primer registro real de los cambios eléctricos a través de la membrana neuronal que median el potencial de acción. [ε] Esta línea de investigación culminó en los cinco artículos de 1952 de Hodgkin, Katz y Andrew Huxley , en los que aplicaron la pinza de voltaje.Técnica para determinar la dependencia de las permeabilidades de la membrana axonal a los iones de sodio y potasio en el voltaje y el tiempo, a partir de los cuales fueron capaces de reconstruir el potencial de acción cuantitativamente. [i] Hodgkin y Huxley correlacionaron las propiedades de su modelo matemático con canales de iones discretos que podrían existir en varios estados diferentes, incluidos "abierto", "cerrado" e "inactivado". Sus hipótesis fueron confirmadas a mediados de la década de 1970 y 1980 por Erwin Neher y Bert Sakmann , quienes desarrollaron la técnica de fijación de parches para examinar los estados de conductancia de los canales iónicos individuales. [bg]En el siglo XXI, los investigadores comienzan a comprender las bases estructurales de estos estados de conductancia y la selectividad de los canales para su especie de ion, [bh] a través de las estructuras cristalinas de resolución atómica , [bi] mediciones de distancia de fluorescencia [bj] y Estudios de microscopía crioelectrónica. [bk]
Julius Bernstein también fue el primero en introducir la ecuación de Nernst para el potencial de reposo a través de la membrana; Esto fue generalizado por David E. Goldman a la ecuación del mismo nombre de Goldman. en 1943. [h] La bomba de sodio-potasio se identificó en 1957 [bl] [ζ] y sus propiedades se diluyeron gradualmente, [bm] [bn] [bo] que culminaron en la determinación de su estructura atómica-resolución por cristalografía de rayos X . [bp] Las estructuras cristalinas de las bombas iónicas relacionadas también se han resuelto, dando una visión más amplia de cómo funcionan estas máquinas moleculares.[bq]
Modelos cuantitativos [ editar ]
Los modelos matemáticos y computacionales son esenciales para comprender el potencial de acción, y ofrecen predicciones que pueden probarse contra datos experimentales, lo que proporciona una prueba rigurosa de una teoría. El más importante y preciso de los primeros modelos neuronales es el modelo de Hodgkin-Huxley , que describe el potencial de acción mediante un conjunto acoplado de cuatro ecuaciones diferenciales ordinarias (EDO). [i] Aunque el modelo de Hodgkin-Huxley puede ser una simplificación con pocas limitaciones [65] en comparación con la membrana nerviosa realista, tal como existe en la naturaleza, su complejidad ha inspirado varios modelos incluso-más simplificado-, [66] [br] tales como el modelo de Morris-Lecar [bs] y elFitzHugh-Nagumo , [bt], los cuales tienen solo dos EDOs acopladas. Las propiedades de los modelos Hodgkin – Huxley y FitzHugh – Nagumo y sus familiares, como el modelo Bonhoeffer – van der Pol, [bu] han sido bien estudiadas dentro de las matemáticas, [67] [bv] computación [68] y electrónica. [bw] Sin embargo, los modelos simples de potencial generador y potencial de acción no reproducen con precisión la tasa de picos neurales cerca del umbral y la forma de los picos, específicamente para los mecanorreceptores como el corpúsculo de Paciniano . [69]La investigación más moderna se ha centrado en sistemas más grandes y más integrados; al unir modelos de acción-potencial con modelos de otras partes del sistema nervioso (como las dendritas y las sinapsis), los investigadores pueden estudiar la computación neural [70] y los reflejos simples , como los reflejos de escape y otros controlados por generadores de patrones centrales.
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