Potencial de acción

A medida que un potencial de acción (impulso nervioso) recorre un eje hay un cambio en la polaridad eléctrica a través de la membrana del eje. En respuesta a una señal de otra neurona, sodio- (Na⁺Y potasio...⁺) – canales de iones abiertos y cerrados a medida que la membrana alcanza su potencial umbral. Na⁺ canales abiertos al comienzo del potencial de acción, y Na⁺ se mueve hacia el eje, causando depolarización. La repolarización ocurre cuando K⁺ canales abiertos y K⁺ se mueve fuera del axón, creando un cambio en la polaridad eléctrica entre el exterior de la célula y el interior. El impulso recorre el axón en una sola dirección, hasta la terminal de axones donde indica otras neuronas.

Un potencial de acción ocurre cuando el potencial de membrana de una ubicación celular específica sube y baja rápidamente. Esta despolarización hace que las ubicaciones adyacentes se despolaricen de manera similar. Los potenciales de acción ocurren en varios tipos de células animales, llamadas células excitables, que incluyen neuronas, células musculares y en algunas células vegetales. Ciertas células endocrinas como las células beta pancreáticas y ciertas células de la glándula pituitaria anterior también son células excitables.

En las neuronas, los potenciales de acción desempeñan un papel central en la comunicación célula a célula al proporcionar (o, con respecto a la conducción saltatoria, ayudar) a la propagación de señales a lo largo del axón de la neurona hacia los botones sinápticos situados en los extremos de un axón; estas señales pueden luego conectarse con otras neuronas en las sinapsis, o con células motoras o glándulas. En otros tipos de células, su función principal es activar procesos intracelulares. En las células musculares, por ejemplo, un potencial de acción es el primer paso en la cadena de eventos que conducen a la contracción. En las células beta del páncreas provocan la liberación de insulina. Los potenciales de acción en las neuronas también se conocen como "impulsos nerviosos" o "picos", y la secuencia temporal de los potenciales de acción generados por una neurona se denomina su "tren de picos". A menudo se dice que una neurona que emite un potencial de acción, o impulso nervioso, "dispara".

Los potenciales de acción son generados por tipos especiales de canales iónicos dependientes de voltaje incrustados en la membrana plasmática de una célula. Estos canales se cierran cuando el potencial de membrana está cerca del potencial de reposo (negativo) de la célula, pero comienzan a abrirse rápidamente si el potencial de membrana aumenta hasta un voltaje umbral definido con precisión, despolarizando el potencial transmembrana. Cuando los canales se abren, permiten un flujo hacia adentro de iones de sodio, lo que cambia el gradiente electroquímico, lo que a su vez produce un aumento adicional en el potencial de membrana hacia cero. Esto hace que se abran más canales, produciendo una mayor corriente eléctrica a través de la membrana celular y así sucesivamente. El proceso procede de forma explosiva hasta que todos los canales iónicos disponibles se abren, lo que da como resultado una gran subida del potencial de membrana. La entrada rápida de iones de sodio hace que la polaridad de la membrana plasmática se invierta y los canales iónicos se inactivan rápidamente. A medida que los canales de sodio se cierran, los iones de sodio ya no pueden ingresar a la neurona y luego se transportan activamente hacia afuera de la membrana plasmática. Entonces se activan los canales de potasio y hay una corriente de salida de iones de potasio, que devuelve el gradiente electroquímico al estado de reposo. Después de que ha ocurrido un potencial de acción, hay un cambio negativo transitorio, llamado poshiperpolarización.

En las células animales, hay dos tipos principales de potenciales de acción. Un tipo es generado por canales de sodio dependientes de voltaje, el otro por canales de calcio dependientes de voltaje. Los potenciales de acción a base de sodio generalmente duran menos de un milisegundo, pero los potenciales de acción a base de calcio pueden durar 100 milisegundos o más. En algunos tipos de neuronas, los picos lentos de calcio proporcionan la fuerza motriz para una larga ráfaga de picos de sodio emitidos rápidamente. En las células del músculo cardíaco, por otro lado, un pico rápido inicial de sodio proporciona un "cebador" para provocar la rápida aparición de un pico de calcio, que luego produce la contracción muscular.

Resumen

Forma de un potencial de acción típico. El potencial de la membrana permanece cerca de un nivel de base hasta que en algún momento del tiempo, se eleva abruptamente y luego cae rápidamente.

Casi todas las membranas celulares de animales, plantas y hongos mantienen una diferencia de voltaje entre el exterior y el interior de la célula, llamada potencial de membrana. Un voltaje típico a través de la membrana de una célula animal es −70 mV. Esto significa que el interior de la celda tiene un voltaje negativo con respecto al exterior. En la mayoría de los tipos de células, el potencial de membrana suele permanecer bastante constante. Sin embargo, algunos tipos de celdas son eléctricamente activas en el sentido de que sus voltajes fluctúan con el tiempo. En algunos tipos de células eléctricamente activas, incluidas las neuronas y las células musculares, las fluctuaciones de voltaje frecuentemente toman la forma de un pico ascendente (positivo) rápido seguido de una caída rápida. Estos ciclos de altibajos se conocen como potenciales de acción. En algunos tipos de neuronas, todo el ciclo de subida y bajada tiene lugar en unas pocas milésimas de segundo. En las células musculares, un potencial de acción típico dura alrededor de una quinta parte de un segundo. En las células vegetales, un potencial de acción puede durar tres segundos o más.

Las propiedades eléctricas de una célula están determinadas por la estructura de su membrana. Una membrana celular consta de una bicapa lipídica de moléculas en las que están incrustadas moléculas de proteínas más grandes. La bicapa lipídica es muy resistente al movimiento de iones cargados eléctricamente, por lo que funciona como aislante. Las proteínas grandes incrustadas en la membrana, por el contrario, proporcionan canales a través de los cuales los iones pueden pasar a través de la membrana. Los potenciales de acción son impulsados por proteínas de canal cuya configuración cambia entre estados cerrados y abiertos en función de la diferencia de voltaje entre el interior y el exterior de la célula. Estas proteínas sensibles al voltaje se conocen como canales iónicos activados por voltaje.

Proceso en una neurona típica

Parcela aproximada de un potencial de acción típico muestra sus diversas fases a medida que el potencial de acción pasa un punto en una membrana celular. El potencial de membrana comienza aproximadamente a −70 mV a la hora cero. Se aplica un estímulo a la vez = 1 ms, que eleva el potencial de membrana por encima de −55 mV (el potencial de umbral). Después de aplicar el estímulo, el potencial de membrana aumenta rápidamente a un potencial máximo de +40 mV a la vez = 2 ms. Tan rápido, el potencial entonces cae y sobresuelve a −90 mV a la vez = 3 ms, y finalmente el potencial de reposo de −70 mV se restablece a la vez = 5 ms.

Todas las células de los tejidos del cuerpo animal están eléctricamente polarizadas; en otras palabras, mantienen una diferencia de voltaje en la membrana plasmática de la célula, conocida como potencial de membrana. Esta polarización eléctrica es el resultado de una interacción compleja entre las estructuras proteicas incrustadas en la membrana llamadas bombas de iones y canales de iones. En las neuronas, los tipos de canales iónicos de la membrana suelen variar en las distintas partes de la célula, lo que confiere a las dendritas, el axón y el cuerpo celular diferentes propiedades eléctricas. Como resultado, algunas partes de la membrana de una neurona pueden ser excitables (capaces de generar potenciales de acción), mientras que otras no lo son. Estudios recientes han demostrado que la parte más excitable de una neurona es la parte posterior al montículo del axón (el punto donde el axón sale del cuerpo celular), que se denomina segmento inicial del axón, pero el axón y el cuerpo celular también son excitables en la mayoría de los casos. casos.

Cada parche de membrana excitable tiene dos niveles importantes de potencial de membrana: el potencial de reposo, que es el valor que mantiene el potencial de membrana mientras nada perturba la célula, y un valor más alto llamado potencial umbral. En el montículo del axón de una neurona típica, el potencial de reposo es de alrededor de -70 milivoltios (mV) y el potencial de umbral es de alrededor de -55 mV. Las entradas sinápticas a una neurona hacen que la membrana se despolarice o se hiperpolarice; es decir, hacen que el potencial de membrana suba o baje. Los potenciales de acción se activan cuando se acumula suficiente despolarización para llevar el potencial de membrana hasta el umbral. Cuando se activa un potencial de acción, el potencial de membrana se dispara bruscamente hacia arriba y luego vuelve a dispararse igualmente abruptamente hacia abajo, a menudo terminando por debajo del nivel de reposo, donde permanece durante un período de tiempo. La forma del potencial de acción está estereotipada; esto significa que la subida y la bajada suelen tener aproximadamente la misma amplitud y curso de tiempo para todos los potenciales de acción en una célula determinada. (Las excepciones se analizan más adelante en el artículo). En la mayoría de las neuronas, todo el proceso tiene lugar en aproximadamente una milésima de segundo. Muchos tipos de neuronas emiten constantemente potenciales de acción a velocidades de hasta 10 a 100 por segundo. Sin embargo, algunos tipos son mucho más silenciosos y pueden pasar minutos o más sin emitir ningún potencial de acción.

Base biofísica

Los potenciales de acción resultan de la presencia en la membrana de una célula de tipos especiales de canales iónicos dependientes de voltaje. Un canal iónico dependiente de voltaje es una proteína transmembrana que tiene tres propiedades clave:

1. Es capaz de asumir más de una conformación.
2. Al menos una de las conformaciones crea un canal a través de la membrana que es permeable a tipos específicos de iones.
3. La transición entre conformaciones está influenciada por el potencial de membrana.

Por lo tanto, un canal iónico controlado por voltaje tiende a estar abierto para algunos valores del potencial de membrana y cerrado para otros. Sin embargo, en la mayoría de los casos, la relación entre el potencial de membrana y el estado del canal es probabilística e implica un retraso de tiempo. Los canales iónicos cambian entre conformaciones en momentos impredecibles: el potencial de membrana determina la tasa de transiciones y la probabilidad por unidad de tiempo de cada tipo de transición.

propagación potencial de acción a lo largo de un axón

Los canales iónicos activados por voltaje son capaces de producir potenciales de acción porque pueden dar lugar a bucles de retroalimentación positiva: el potencial de membrana controla el estado de los canales iónicos, pero el estado de los canales iónicos controla el potencial de membrana. Por lo tanto, en algunas situaciones, un aumento en el potencial de membrana puede hacer que se abran los canales iónicos, provocando así un mayor aumento en el potencial de membrana. Se produce un potencial de acción cuando este ciclo de retroalimentación positiva (ciclo de Hodgkin) procede de forma explosiva. La trayectoria de tiempo y amplitud del potencial de acción está determinada por las propiedades biofísicas de los canales iónicos dependientes de voltaje que lo producen. Existen varios tipos de canales capaces de producir la retroalimentación positiva necesaria para generar un potencial de acción. Los canales de sodio dependientes de voltaje son responsables de los potenciales de acción rápidos involucrados en la conducción nerviosa. Los canales de calcio dependientes de voltaje generan potenciales de acción más lentos en las células musculares y algunos tipos de neuronas. Cada uno de estos tipos viene en múltiples variantes, con diferente sensibilidad de voltaje y diferentes dinámicas temporales.

El tipo de canal iónico dependiente de voltaje que se ha estudiado más intensamente comprende los canales de sodio implicados en la conducción nerviosa rápida. Estos a veces se conocen como canales de sodio de Hodgkin-Huxley porque Alan Hodgkin y Andrew Huxley los caracterizaron por primera vez en sus estudios sobre la biofísica del potencial de acción, ganadores del Premio Nobel, pero se les puede denominar más convenientemente como Na_V. (La "V" significa "voltaje"). Un canal Na_V tiene tres estados posibles, conocidos como desactivado, activado y desactivado. El canal es permeable solo a los iones de sodio cuando está en el estado activado. Cuando el potencial de membrana es bajo, el canal pasa la mayor parte de su tiempo en estado desactivado (cerrado). Si el potencial de membrana se eleva por encima de cierto nivel, el canal muestra una mayor probabilidad de transición al estado activado (abierto). Cuanto mayor sea el potencial de membrana, mayor será la probabilidad de activación. Una vez que un canal se ha activado, eventualmente pasará al estado inactivado (cerrado). Entonces tiende a permanecer inactivado durante algún tiempo, pero, si el potencial de membrana vuelve a ser bajo, el canal finalmente volverá al estado desactivado. Durante un potencial de acción, la mayoría de los canales de este tipo pasan por un ciclo desactivado→activado→inactivado→desactivado. Sin embargo, este es solo el comportamiento promedio de la población: en principio, un canal individual puede hacer cualquier transición en cualquier momento. Sin embargo, la probabilidad de que un canal pase del estado desactivado directamente al estado activado es muy baja: un canal en el estado desactivado el estado es refractario hasta que haya vuelto al estado desactivado.

El resultado de todo esto es que la cinética de los canales de Na_V está gobernada por una matriz de transición cuyas tasas dependen del voltaje de una manera complicada. Dado que estos canales juegan un papel importante en la determinación del voltaje, la dinámica global del sistema puede ser bastante difícil de resolver. Hodgkin y Huxley abordaron el problema desarrollando un conjunto de ecuaciones diferenciales para los parámetros que gobiernan los estados de los canales iónicos, conocidas como ecuaciones de Hodgkin-Huxley. Estas ecuaciones han sido ampliamente modificadas por investigaciones posteriores, pero constituyen el punto de partida para la mayoría de los estudios teóricos de la biofísica del potencial de acción.

Movimiento iónico durante un potencial de acción.
Clave: a) Sodio (Na⁺ion. b) Potasio (K⁺ion. c) Canal de sodio. d) Canal de potasio. e) Bomba de sodio-potásico.
En las etapas de un potencial de acción, la permeabilidad de la membrana de la neurona cambia. En el estado de reposo (1), iones de sodio y potasio tienen capacidad limitada para pasar por la membrana, y la neurona tiene una carga negativa neta dentro. Una vez que se activa el potencial de acción, depolarización (2) de la neurona activa canales de sodio, permitiendo que los iones de sodio pasen a través de la membrana celular a la célula, dando como resultado una carga positiva neta en la neurona relativa al líquido extracelular. Después de alcanzar el pico potencial de acción, la neurona comienza repolarización (3), donde los canales de sodio cierran y abren los canales de potasio, permitiendo que los iones de potasio crucen la membrana en el fluido extracelular, volviendo el potencial de la membrana a un valor negativo. Finalmente, hay un período refractario (4), durante el cual los canales de iones dependientes del voltaje están inactivados mientras que el Na⁺ y K⁺ Los iones regresan a sus distribuciones estatales de reposo a través de la membrana (1), y la neurona está lista para repetir el proceso para el próximo potencial de acción.

A medida que aumenta el potencial de membrana, se abren los canales de iones de sodio, lo que permite la entrada de iones de sodio en la célula. A esto le sigue la apertura de canales de iones de potasio que permiten la salida de iones de potasio de la célula. El flujo de iones de sodio hacia el interior aumenta la concentración de cationes cargados positivamente en la célula y provoca la despolarización, donde el potencial de la célula es mayor que el potencial de reposo de la célula. Los canales de sodio se cierran en el pico del potencial de acción, mientras que el potasio sigue saliendo de la célula. La salida de iones de potasio disminuye el potencial de membrana o hiperpolariza la célula. Para pequeños aumentos de voltaje desde el reposo, la corriente de potasio excede la corriente de sodio y el voltaje vuelve a su valor de reposo normal, típicamente −70 mV. Sin embargo, si el voltaje aumenta más allá de un umbral crítico, normalmente 15 mV por encima del valor de reposo, la corriente de sodio domina. Esto da como resultado una condición fuera de control en la que la retroalimentación positiva de la corriente de sodio activa aún más canales de sodio. Así, la célula dispara, produciendo un potencial de acción. La frecuencia a la que una neurona provoca potenciales de acción a menudo se denomina tasa de disparo o tasa de disparo neuronal.

Las corrientes producidas por la apertura de canales dependientes de voltaje en el curso de un potencial de acción suelen ser significativamente mayores que la corriente estimulante inicial. Por tanto, la amplitud, la duración y la forma del potencial de acción están determinadas en gran medida por las propiedades de la membrana excitable y no por la amplitud o la duración del estímulo. Esta propiedad de todo o nada del potencial de acción lo distingue de los potenciales graduados, como los potenciales de receptor, los potenciales electrotónicos, las oscilaciones del potencial de membrana subumbral y los potenciales sinápticos, que aumentan con la magnitud del estímulo. Existe una variedad de tipos de potenciales de acción en muchos tipos de células y compartimentos celulares según lo determinado por los tipos de canales controlados por voltaje, canales de fuga, distribuciones de canales, concentraciones iónicas, capacitancia de membrana, temperatura y otros factores.

Los iones principales involucrados en un potencial de acción son los cationes de sodio y potasio; Los iones de sodio entran en la célula y los iones de potasio salen, restableciendo el equilibrio. Relativamente pocos iones necesitan cruzar la membrana para que el voltaje de la membrana cambie drásticamente. Los iones intercambiados durante un potencial de acción, por lo tanto, hacen un cambio insignificante en las concentraciones iónicas interior y exterior. Los pocos iones que se cruzan son bombeados de nuevo por la acción continua de la bomba de sodio-potasio que, junto con otros transportadores de iones, mantiene la proporción normal de concentraciones de iones a través de la membrana. Los cationes de calcio y los aniones de cloruro están involucrados en algunos tipos de potenciales de acción, como el potencial de acción cardíaco y el potencial de acción en el alga unicelular Acetabularia, respectivamente.

Aunque los potenciales de acción se generan localmente en parches de membrana excitable, las corrientes resultantes pueden desencadenar potenciales de acción en tramos vecinos de membrana, precipitando una propagación similar al dominó. A diferencia de la propagación pasiva de potenciales eléctricos (potencial electrotónico), los potenciales de acción se generan de nuevo a lo largo de tramos de membrana excitables y se propagan sin decaer. Las secciones mielinizadas de los axones no son excitables y no producen potenciales de acción y la señal se propaga pasivamente como potencial electrotónico. Los parches no mielinizados espaciados regularmente, llamados nódulos de Ranvier, generan potenciales de acción para aumentar la señal. Conocido como conducción saltatoria, este tipo de propagación de la señal proporciona un equilibrio favorable entre la velocidad de la señal y el diámetro del axón. La despolarización de las terminales de los axones, en general, desencadena la liberación de neurotransmisores en la hendidura sináptica. Además, se han registrado potenciales de acción de retropropagación en las dendritas de las neuronas piramidales, que son omnipresentes en la neocorteza. Se cree que estos tienen un papel en la plasticidad dependiente del tiempo de pico.

En el modelo de capacitancia de la membrana de Hodgkin-Huxley, la velocidad de transmisión de un potencial de acción no estaba definida y se asumía que las áreas adyacentes se despolarizaban debido a la interferencia de iones liberados con los canales vecinos. Desde entonces, las mediciones de difusión de iones y radios han demostrado que esto no es posible. Además, las mediciones contradictorias de los cambios de entropía y el tiempo cuestionaron que el modelo de capacitancia actuara solo. Alternativamente, la hipótesis de adsorción de Gilbert Ling postula que el potencial de membrana y el potencial de acción de una célula viva se deben a la adsorción de iones móviles en los sitios de adsorción de las células.

Maduración de las propiedades eléctricas del potencial de acción

La capacidad de una neurona para generar y propagar un potencial de acción cambia durante el desarrollo. Cuánto cambia el potencial de membrana de una neurona como resultado de un impulso de corriente es una función de la resistencia de entrada de la membrana. A medida que crece una célula, se agregan más canales a la membrana, lo que provoca una disminución en la resistencia de entrada. Una neurona madura también experimenta cambios más breves en el potencial de membrana en respuesta a las corrientes sinápticas. Las neuronas de un núcleo geniculado lateral de hurón tienen una constante de tiempo más larga y una desviación de voltaje más grande en P0 que en P30. Una consecuencia de la disminución de la duración del potencial de acción es que la fidelidad de la señal puede conservarse en respuesta a la estimulación de alta frecuencia. Las neuronas inmaduras son más propensas a la depresión sináptica que a la potenciación después de la estimulación de alta frecuencia.

En el desarrollo temprano de muchos organismos, el potencial de acción en realidad lo transporta inicialmente la corriente de calcio en lugar de la corriente de sodio. Las cinéticas de apertura y cierre de los canales de calcio durante el desarrollo son más lentas que las de los canales de sodio dependientes de voltaje que transportarán el potencial de acción en las neuronas maduras. Los tiempos de apertura más prolongados de los canales de calcio pueden dar lugar a potenciales de acción considerablemente más lentos que los de las neuronas maduras. Las neuronas de Xenopus inicialmente tienen potenciales de acción que tardan entre 60 y 90 ms. Durante el desarrollo, este tiempo se reduce a 1 ms. Hay dos razones para esta drástica disminución. En primer lugar, la corriente de entrada pasa a ser transportada principalmente por los canales de sodio. En segundo lugar, el rectificador retardado, una corriente de canal de potasio, aumenta hasta 3,5 veces su fuerza inicial.

Para que se produzca la transición de un potencial de acción dependiente del calcio a un potencial de acción dependiente del sodio, se deben agregar nuevos canales a la membrana. Si las neuronas de Xenopus se cultivan en un entorno con inhibidores de la síntesis de ARN o de la síntesis de proteínas, se evita esa transición. Incluso la actividad eléctrica de la propia célula puede desempeñar un papel en la expresión del canal. Si se bloquean los potenciales de acción en los miocitos de Xenopus, se previene o retrasa el aumento típico de la densidad de corriente de sodio y potasio.

Esta maduración de las propiedades eléctricas se observa en todas las especies. Las corrientes de sodio y potasio de Xenopus aumentan drásticamente después de que una neurona pasa por su fase final de mitosis. La densidad de corriente de sodio de las neuronas corticales de rata aumenta en un 600 % en las dos primeras semanas posnatales.

Neurotransmisión

Anatomía de una neurona

Varios tipos de células soportan un potencial de acción, como las células vegetales, las células musculares y las células especializadas del corazón (en las que se produce el potencial de acción cardíaco). Sin embargo, la principal célula excitable es la neurona, que también tiene el mecanismo más simple para el potencial de acción.

Las neuronas son células eléctricamente excitables compuestas, en general, por una o más dendritas, un solo soma, un solo axón y uno o más axones terminales. Las dendritas son proyecciones celulares cuya función principal es recibir señales sinápticas. Sus protuberancias, conocidas como espinas dendríticas, están diseñadas para capturar los neurotransmisores liberados por la neurona presináptica. Tienen una alta concentración de canales iónicos controlados por ligandos. Estas espinas tienen un cuello delgado que conecta una protuberancia bulbosa con la dendrita. Esto asegura que los cambios que ocurren dentro de la columna vertebral tengan menos probabilidades de afectar a las columnas adyacentes. La espina dendrítica puede, con raras excepciones (ver LTP), actuar como una unidad independiente. Las dendritas se extienden desde el soma, que alberga el núcleo, y muchas de las células "normales" orgánulos eucariotas. A diferencia de las espinas, la superficie del soma está poblada por canales iónicos activados por voltaje. Estos canales ayudan a transmitir las señales generadas por las dendritas. Emergiendo del soma está el montículo del axón. Esta región se caracteriza por tener una concentración muy alta de canales de sodio activados por voltaje. En general, se considera que es la zona de inicio de pico para los potenciales de acción, es decir, la zona de activación. Múltiples señales generadas en las espinas y transmitidas por el soma convergen aquí. Inmediatamente después del montículo del axón se encuentra el axón. Esta es una protuberancia tubular delgada que se aleja del soma. El axón está aislado por una vaina de mielina. La mielina está compuesta por células de Schwann (en el sistema nervioso periférico) u oligodendrocitos (en el sistema nervioso central), los cuales son tipos de células gliales. Aunque las células gliales no participan en la transmisión de señales eléctricas, se comunican y brindan un apoyo bioquímico importante a las neuronas. Para ser específicos, la mielina se envuelve varias veces alrededor del segmento axonal, formando una gruesa capa de grasa que evita que los iones entren o escapen del axón. Este aislamiento evita una disminución significativa de la señal y garantiza una velocidad de señal más rápida. Sin embargo, este aislamiento tiene la restricción de que no puede haber canales en la superficie del axón. Hay, por lo tanto, parches de membrana regularmente espaciados, que no tienen aislamiento. Estos nódulos de Ranvier se pueden considerar "mini montículos de axones", ya que su propósito es aumentar la señal para evitar una disminución significativa de la señal. En el extremo más alejado, el axón pierde su aislamiento y comienza a ramificarse en varias terminales de axón. Estos terminales presinápticos, o botones sinápticos, son un área especializada dentro del axón de la célula presináptica que contiene neurotransmisores encerrados en pequeñas esferas unidas a la membrana llamadas vesículas sinápticas.

Iniciación

Antes de considerar la propagación de los potenciales de acción a lo largo de los axones y su terminación en los nudos sinápticos, es útil considerar los métodos mediante los cuales se pueden iniciar los potenciales de acción en el montículo del axón. El requisito básico es que el voltaje de la membrana en el montículo se eleve por encima del umbral de disparo. Hay varias formas en que puede ocurrir esta despolarización.

Cuando un potencial de acción llega al final del eje pre-sinoptico (top), causa la liberación de moléculas neurotransmisoras que abren canales de iones en la neurona post-sinoptica (bottom). Los potenciales postinápticos e inhibidores combinados de tales insumos pueden comenzar un nuevo potencial de acción en la neurona post-sínptica.

Dinámica

Los potenciales de acción se inician más comúnmente por potenciales postsinápticos excitadores de una neurona presináptica. Por lo general, las moléculas de neurotransmisores son liberadas por la neurona presináptica. Estos neurotransmisores luego se unen a los receptores en la célula postsináptica. Esta unión abre varios tipos de canales iónicos. Esta apertura tiene el efecto adicional de cambiar la permeabilidad local de la membrana celular y, por lo tanto, el potencial de membrana. Si la unión aumenta el voltaje (despolariza la membrana), la sinapsis es excitatoria. Sin embargo, si la unión disminuye el voltaje (hiperpolariza la membrana), es inhibidora. Ya sea que el voltaje aumente o disminuya, el cambio se propaga pasivamente a las regiones cercanas de la membrana (como se describe en la ecuación del cable y sus mejoras). Normalmente, el estímulo de voltaje decae exponencialmente con la distancia desde la sinapsis y con el tiempo desde la unión del neurotransmisor. Una fracción de un voltaje excitador puede llegar al montículo axónico y puede (en casos raros) despolarizar la membrana lo suficiente como para provocar un nuevo potencial de acción. Más típicamente, los potenciales excitatorios de varias sinapsis deben trabajar juntos casi al mismo tiempo para provocar un nuevo potencial de acción. Sin embargo, sus esfuerzos conjuntos pueden verse frustrados por los potenciales postsinápticos inhibitorios que los contrarrestan.

La neurotransmisión también puede ocurrir a través de sinapsis eléctricas. Debido a la conexión directa entre células excitables en forma de uniones gap, un potencial de acción puede transmitirse directamente de una célula a la siguiente en cualquier dirección. El flujo libre de iones entre las células permite una transmisión rápida no mediada por productos químicos. Los canales rectificadores aseguran que los potenciales de acción se muevan solo en una dirección a través de una sinapsis eléctrica. Las sinapsis eléctricas se encuentran en todos los sistemas nerviosos, incluido el cerebro humano, aunque son una clara minoría.

"Todo o nada" principio

A menudo se piensa que la amplitud de un potencial de acción es independiente de la cantidad de corriente que lo produjo. En otras palabras, las corrientes más grandes no crean potenciales de acción más grandes. Por lo tanto, se dice que los potenciales de acción son señales de todo o nada, ya que ocurren completamente o no ocurren en absoluto. Esto contrasta con los potenciales de receptor, cuyas amplitudes dependen de la intensidad de un estímulo. En ambos casos, la frecuencia de los potenciales de acción se correlaciona con la intensidad de un estímulo.

A pesar de la visión clásica del potencial de acción como una señal estereotipada y uniforme que ha dominado el campo de la neurociencia durante muchas décadas, la evidencia más reciente sugiere que los potenciales de acción son eventos más complejos capaces de transmitir información no solo a través de su amplitud, sino también su duración y fase también, a veces incluso hasta distancias que originalmente no se pensaba que fueran posibles.

Neuronas sensoriales

En las neuronas sensoriales, una señal externa como la presión, la temperatura, la luz o el sonido se combina con la apertura y el cierre de los canales iónicos, que a su vez alteran las permeabilidades iónicas de la membrana y su voltaje. Estos cambios de voltaje pueden volver a ser excitadores (despolarizantes) o inhibitorios (hiperpolarizantes) y, en algunas neuronas sensoriales, sus efectos combinados pueden despolarizar el axón lo suficiente como para provocar potenciales de acción. Algunos ejemplos en humanos incluyen la neurona receptora olfativa y el corpúsculo de Meissner, que son fundamentales para el sentido del olfato y el tacto, respectivamente. Sin embargo, no todas las neuronas sensoriales convierten sus señales externas en potenciales de acción; algunos ni siquiera tienen un axón. En cambio, pueden convertir la señal en la liberación de un neurotransmisor, o en potenciales graduados continuos, cualquiera de los cuales puede estimular a las neuronas subsiguientes para que disparen un potencial de acción. Por ejemplo, en el oído humano, las células ciliadas convierten el sonido entrante en la apertura y el cierre de canales iónicos activados mecánicamente, lo que puede provocar la liberación de moléculas de neurotransmisores. De manera similar, en la retina humana, las células fotorreceptoras iniciales y la siguiente capa de células (que comprende células bipolares y células horizontales) no producen potenciales de acción; sólo algunas células amacrinas y la tercera capa, las células ganglionares, producen potenciales de acción, que luego ascienden por el nervio óptico.

Potenciales de marcapasos

En potenciales de marcapasos, la célula espontáneamente despolariza (línea recta con pendiente ascendente) hasta que dispara un potencial de acción.

En las neuronas sensoriales, los potenciales de acción resultan de un estímulo externo. Sin embargo, algunas células excitables no requieren tal estímulo para activarse: espontáneamente despolarizan su cúmulo de axones y activan potenciales de acción a un ritmo regular, como un reloj interno. Las trazas de voltaje de tales células se conocen como potenciales de marcapasos. Las células del marcapasos cardíaco del nódulo sinoauricular en el corazón son un buen ejemplo. Aunque tales potenciales de marcapasos tienen un ritmo natural, pueden ajustarse mediante estímulos externos; por ejemplo, la frecuencia cardíaca puede verse alterada por productos farmacéuticos, así como por señales de los nervios simpáticos y parasimpáticos. Los estímulos externos no provocan el disparo repetitivo de la célula, sino que simplemente alteran su tiempo. En algunos casos, la regulación de la frecuencia puede ser más compleja y dar lugar a patrones de potenciales de acción, como el estallido.

Fases

El curso del potencial de acción se puede dividir en cinco partes: la fase ascendente, la fase máxima, la fase descendente, la fase inferior y el período refractario. Durante la fase ascendente, el potencial de membrana se despolariza (se vuelve más positivo). El punto en el que se detiene la despolarización se denomina fase pico. En esta etapa, el potencial de membrana alcanza un máximo. Posterior a esto, hay una fase de caída. Durante esta etapa, el potencial de membrana se vuelve más negativo, volviendo al potencial de reposo. La fase de subimpulso, o poshiperpolarización, es el período durante el cual el potencial de membrana se carga temporalmente de forma más negativa que cuando está en reposo (hiperpolarizado). Finalmente, el tiempo durante el cual un potencial de acción posterior es imposible o difícil de disparar se denomina período refractario, que puede superponerse con las otras fases.

El curso del potencial de acción está determinado por dos efectos acoplados. En primer lugar, los canales iónicos sensibles al voltaje se abren y cierran en respuesta a cambios en el voltaje de la membrana V_m. Esto cambia la permeabilidad de la membrana a esos iones. En segundo lugar, de acuerdo con la ecuación de Goldman, este cambio en la permeabilidad cambia el potencial de equilibrio E_m y, por lo tanto, el voltaje de la membrana V_m. Por lo tanto, el potencial de membrana afecta la permeabilidad, que luego afecta aún más el potencial de membrana. Esto establece la posibilidad de una retroalimentación positiva, que es una parte clave de la fase ascendente del potencial de acción. Un factor de complicación es que un solo canal de iones puede tener múltiples 'puertas' internas. que responden a cambios en V_m de formas opuestas, o a ritmos diferentes. Por ejemplo, aunque elevar V_m abre la mayoría de las puertas en el canal de sodio sensible al voltaje, también cierra el la 'puerta de desactivación' del canal, aunque más lentamente. Por lo tanto, cuando V_m aumenta repentinamente, los canales de sodio se abren inicialmente, pero luego se cierran debido a la inactivación más lenta.

Los voltajes y corrientes del potencial de acción en todas sus fases fueron modelados con precisión por Alan Lloyd Hodgkin y Andrew Huxley en 1952, por lo que recibieron el Premio Nobel de Fisiología o Medicina en 1963. Sin embargo, su modelo considera solo dos tipos de canales iónicos sensibles al voltaje, y hace varias suposiciones sobre ellos, por ejemplo, que sus puertas internas se abren y cierran independientemente una de la otra. En realidad, hay muchos tipos de canales iónicos y no siempre se abren y cierran de forma independiente.

Estimulación y fase de subida

Un potencial de acción típico comienza en el axón con una despolarización lo suficientemente fuerte, por ejemplo, un estímulo que aumenta V_m. Esta despolarización a menudo es causada por la inyección de cationes de sodio adicionales en la célula; estos cationes pueden provenir de una amplia variedad de fuentes, como sinapsis químicas, neuronas sensoriales o potenciales de marcapasos.

Para una neurona en reposo, hay una alta concentración de iones de sodio y cloruro en el líquido extracelular en comparación con el líquido intracelular, mientras que hay una alta concentración de iones de potasio en el líquido intracelular en comparación con el líquido extracelular. La diferencia de concentraciones, que hace que los iones se muevan de una concentración alta a una baja, y los efectos electrostáticos (atracción de cargas opuestas) son responsables del movimiento de iones dentro y fuera de la neurona. El interior de una neurona tiene una carga negativa, en relación con el exterior de la célula, debido al movimiento de K⁺ fuera de la célula. La membrana de la neurona es más permeable a K⁺ que a otros iones, lo que permite que este ion se mueva selectivamente fuera de la célula, a favor de su gradiente de concentración. Este gradiente de concentración, junto con los canales de fuga de potasio presentes en la membrana de la neurona, provoca una salida de iones de potasio que hace que el potencial de reposo se acerque a E_K ≈ -75 mV. Dado que los iones de Na⁺ se encuentran en concentraciones más altas fuera de la célula, las diferencias de concentración y voltaje los impulsan hacia el interior de la célula cuando se abren los canales de Na⁺. La despolarización abre los canales de sodio y potasio en la membrana, lo que permite que los iones entren y salgan del axón, respectivamente. Si la despolarización es pequeña (digamos, aumentando V_m de −70 mV a −60 mV), la corriente de potasio de salida supera a la corriente de sodio de entrada y la membrana se repolariza de nuevo a su potencial de reposo normal alrededor de −70 mV. Sin embargo, si la despolarización es lo suficientemente grande, la corriente de entrada de sodio aumenta más que la corriente de salida de potasio y se produce una condición fuera de control (retroalimentación positiva): cuanta más corriente de entrada hay, más V_m aumenta, lo que a su vez aumenta aún más la corriente de entrada. Una despolarización suficientemente fuerte (aumento de V_m) hace que se abran los canales de sodio sensibles al voltaje; la creciente permeabilidad al sodio conduce a V_m más cerca del voltaje de equilibrio del sodio E_Na≈ +55 mV. El aumento de voltaje a su vez hace que se abran aún más canales de sodio, lo que empuja a V_m aún más hacia E_Na. Esta retroalimentación positiva continúa hasta que los canales de sodio están completamente abiertos y V_m está cerca de E_Na. El fuerte aumento de V_m y la permeabilidad al sodio corresponden a la fase ascendente del potencial de acción.

El voltaje de umbral crítico para esta condición fuera de control suele ser de alrededor de −45 mV, pero depende de la actividad reciente del axón. Una célula que acaba de disparar un potencial de acción no puede disparar otro inmediatamente, ya que los canales de Na⁺ no se han recuperado del estado inactivo. El período durante el cual no se puede disparar un nuevo potencial de acción se denomina período refractario absoluto. En tiempos más prolongados, después de que algunos pero no todos los canales iónicos se hayan recuperado, el axón puede estimularse para producir otro potencial de acción, pero con un umbral más alto, lo que requiere una despolarización mucho más fuerte, por ejemplo, a -30 mV. El período durante el cual los potenciales de acción son inusualmente difíciles de evocar se denomina período refractario relativo.

Fase pico

La retroalimentación positiva de la fase ascendente se ralentiza y se detiene a medida que los canales de iones de sodio se abren al máximo. En el pico del potencial de acción, la permeabilidad al sodio se maximiza y el voltaje de la membrana V_m es casi igual al voltaje de equilibrio del sodio E_Na. Sin embargo, el mismo voltaje elevado que abrió los canales de sodio inicialmente también los apaga lentamente, al cerrar sus poros; los canales de sodio se desactivan. Esto reduce la permeabilidad de la membrana al sodio en relación con el potasio, lo que hace que el voltaje de la membrana vuelva al valor de reposo. Al mismo tiempo, el voltaje elevado abre canales de potasio sensibles al voltaje; el aumento de la permeabilidad al potasio de la membrana conduce a V_m hacia E_K. Combinados, estos cambios en la permeabilidad al sodio y al potasio hacen que V_m caiga rápidamente, repolarizando la membrana y produciendo la "fase descendente" del potencial de acción.

Posthiperpolarización

El voltaje despolarizado abre canales de potasio adicionales dependientes del voltaje, y algunos de estos no se cierran de inmediato cuando la membrana vuelve a su voltaje normal de reposo. Además, se abren más canales de potasio en respuesta a la entrada de iones de calcio durante el potencial de acción. La concentración intracelular de iones de potasio es inusualmente baja de forma transitoria, lo que hace que el voltaje de la membrana V_m se acerque aún más al voltaje de equilibrio del potasio E_K . El potencial de membrana va por debajo del potencial de membrana en reposo. Por lo tanto, hay un subimpulso o hiperpolarización, denominado poshiperpolarización, que persiste hasta que la permeabilidad al potasio de la membrana vuelve a su valor habitual, restaurando el potencial de membrana al estado de reposo.

Periodo refractario

A cada potencial de acción le sigue un período refractario, que se puede dividir en un período refractario absoluto, durante el cual es imposible evocar otro potencial de acción, y luego un período refractario relativo , durante el cual se requiere un estímulo más fuerte de lo habitual. Estos dos períodos refractarios son causados por cambios en el estado de las moléculas de los canales de sodio y potasio. Al cerrarse tras un potencial de acción, los canales de sodio entran en un estado "inactivado" estado, en el que no se puede hacer que se abran independientemente del potencial de membrana, esto da lugar al período refractario absoluto. Incluso después de que un número suficiente de canales de sodio hayan vuelto a su estado de reposo, con frecuencia sucede que una fracción de los canales de potasio permanece abierta, lo que dificulta la despolarización del potencial de membrana y, por lo tanto, da lugar al período refractario relativo. Debido a que la densidad y los subtipos de canales de potasio pueden diferir mucho entre diferentes tipos de neuronas, la duración del período refractario relativo es muy variable.

El período refractario absoluto es en gran parte responsable de la propagación unidireccional de los potenciales de acción a lo largo de los axones. En cualquier momento dado, el parche de axón detrás de la parte activa es refractario, pero el parche de enfrente, que no se ha activado recientemente, es capaz de ser estimulado por la despolarización del potencial de acción.

Propagación

El potencial de acción generado en el axón se propaga como una onda a lo largo del axón. Las corrientes que fluyen hacia adentro en un punto del axón durante un potencial de acción se esparcen a lo largo del axón y despolarizan las secciones adyacentes de su membrana. Si es suficientemente fuerte, esta despolarización provoca un potencial de acción similar en los parches de membrana vecinos. Este mecanismo básico fue demostrado por Alan Lloyd Hodgkin en 1937. Después de aplastar o enfriar segmentos nerviosos y bloquear así los potenciales de acción, demostró que un potencial de acción que llegaba a un lado del bloqueo podía provocar otro potencial de acción en el otro, siempre que el segmento bloqueado era lo suficientemente corto.

Una vez que se ha producido un potencial de acción en un parche de membrana, el parche de membrana necesita tiempo para recuperarse antes de que pueda activarse nuevamente. A nivel molecular, este período refractario absoluto corresponde al tiempo requerido para que los canales de sodio activados por voltaje se recuperen de la inactivación, es decir, regresen a su estado cerrado. Hay muchos tipos de canales de potasio activados por voltaje en las neuronas. Algunos de ellos se inactivan rápido (corrientes tipo A) y algunos de ellos se inactivan lentamente o no se inactivan en absoluto; esta variabilidad garantiza que siempre habrá una fuente de corriente disponible para la repolarización, incluso si algunos de los canales de potasio están inactivos debido a la despolarización precedente. Por otro lado, todos los canales de sodio activados por voltaje neuronal se inactivan en varios milisegundos durante una fuerte despolarización, lo que hace imposible la siguiente despolarización hasta que una fracción sustancial de los canales de sodio haya vuelto a su estado cerrado. Aunque limita la frecuencia de disparo, el período refractario absoluto asegura que el potencial de acción se mueva en una sola dirección a lo largo de un axón. Las corrientes que fluyen debido a un potencial de acción se extienden en ambas direcciones a lo largo del axón. Sin embargo, solo la parte no disparada del axón puede responder con un potencial de acción; la parte que acaba de disparar no responde hasta que el potencial de acción está fuera de rango y no puede volver a estimular esa parte. En la conducción ortodrómica habitual, el potencial de acción se propaga desde el montículo axónico hacia los nudos sinápticos (los terminales axónicos); la propagación en la dirección opuesta, conocida como conducción antidrómica, es muy rara. Sin embargo, si se estimula un axón de laboratorio en su centro, ambas mitades del axón están "frescas", es decir, sin disparar; luego se generarán dos potenciales de acción, uno que viaja hacia el axón y el otro que viaja hacia los nudos sinápticos.

Mielina y conducción saltatoria

En la conducción salatoria, un potencial de acción en un nodo de Ranvier causa corrientes internas que despolarizan la membrana en el próximo nodo, provocando un nuevo potencial de acción allí; el potencial de acción parece "salir" del nodo al nodo.

Para permitir una transducción rápida y eficiente de señales eléctricas en el sistema nervioso, ciertos axones neuronales están cubiertos con vainas de mielina. La mielina es una membrana multilaminar que envuelve el axón en segmentos separados por intervalos conocidos como nódulos de Ranvier. Es producido por células especializadas: células de Schwann exclusivamente en el sistema nervioso periférico y oligodendrocitos exclusivamente en el sistema nervioso central. La vaina de mielina reduce la capacitancia de la membrana y aumenta la resistencia de la membrana en los intervalos internodales, lo que permite un movimiento rápido y saltatorio de los potenciales de acción de un nodo a otro. La mielinización se encuentra principalmente en los vertebrados, pero se ha descubierto un sistema análogo en algunos invertebrados, como algunas especies de camarones. No todas las neuronas de los vertebrados están mielinizadas; por ejemplo, los axones de las neuronas que componen el sistema nervioso autónomo no están, en general, mielinizados.

La mielina evita que los iones entren o salgan del axón a lo largo de los segmentos mielinizados. Como regla general, la mielinización aumenta la velocidad de conducción de los potenciales de acción y los hace más eficientes energéticamente. Ya sea saltatorio o no, la velocidad media de conducción de un potencial de acción varía de 1 metro por segundo (m/s) a más de 100 m/s y, en general, aumenta con el diámetro axonal.

Los potenciales de acción no pueden propagarse a través de la membrana en los segmentos mielinizados del axón. Sin embargo, la corriente es transportada por el citoplasma, lo cual es suficiente para despolarizar el primer o segundo nódulo de Ranvier subsiguiente. En cambio, la corriente iónica de un potencial de acción en un nodo de Ranvier provoca otro potencial de acción en el siguiente nodo; este aparente "salto" del potencial de acción de nodo a nodo se conoce como conducción saltatoria. Aunque el mecanismo de conducción saltatoria fue sugerido en 1925 por Ralph Lillie, la primera evidencia experimental de conducción saltatoria provino de Ichiji Tasaki y Taiji Takeuchi y de Andrew Huxley y Robert Stämpfli. Por el contrario, en los axones no mielinizados, el potencial de acción provoca otro en la membrana inmediatamente adyacente y se mueve continuamente por el axón como una onda.

Comparación de las velocidades de conducción de los axones mielinados y sin mancha en el gato. La velocidad de conducción v de las neuronas mielinadas varía aproximadamente linealmente con diámetro de axón d (es decir, v ∝ d), mientras que la velocidad de las neuronas sin mancha varía aproximadamente como la raíz cuadrada (v ∝√d). Las curvas rojas y azules se ajustan a datos experimentales, mientras que las líneas punteadas son sus extrapolaciones teóricas.

La mielina tiene dos ventajas importantes: velocidad de conducción rápida y eficiencia energética. Para axones más grandes que un diámetro mínimo (aproximadamente 1 micrómetro), la mielinización aumenta la velocidad de conducción de un potencial de acción, normalmente diez veces. Por el contrario, para una velocidad de conducción dada, las fibras mielínicas son más pequeñas que sus contrapartes amielínicas. Por ejemplo, los potenciales de acción se mueven aproximadamente a la misma velocidad (25 m/s) en un axón de rana mielinizado y en un axón gigante de calamar no mielinizado, pero el axón de rana tiene un diámetro aproximadamente 30 veces menor y un área transversal 1000 veces menor.. Además, dado que las corrientes iónicas están confinadas a los nodos de Ranvier, muchos menos iones "fugan" a través de la membrana, ahorrando energía metabólica. Este ahorro es una importante ventaja selectiva, ya que el sistema nervioso humano utiliza aproximadamente el 20% de la energía metabólica del cuerpo.

La longitud de los axones' segmentos mielinizados es importante para el éxito de la conducción saltatoria. Deben ser tan largos como sea posible para maximizar la velocidad de conducción, pero no tanto como para que la señal que llega sea demasiado débil para provocar un potencial de acción en el siguiente nodo de Ranvier. En la naturaleza, los segmentos mielinizados son generalmente lo suficientemente largos para que la señal propagada pasivamente viaje por al menos dos nodos mientras retiene suficiente amplitud para disparar un potencial de acción en el segundo o tercer nodo. Por lo tanto, el factor de seguridad de la conducción saltatoria es alto, lo que permite que la transmisión se desvíe de los nodos en caso de lesión. Sin embargo, los potenciales de acción pueden terminar prematuramente en ciertos lugares donde el factor de seguridad es bajo, incluso en neuronas amielínicas; un ejemplo común es el punto de ramificación de un axón, donde se divide en dos axones.

Algunas enfermedades degradan la mielina y alteran la conducción saltatoria, lo que reduce la velocidad de conducción de los potenciales de acción. El más conocido de ellos es la esclerosis múltiple, en la que la descomposición de la mielina afecta el movimiento coordinado.

Teoría de cables

La visión simplificada de la teoría del cable de una fibra neuronal. Los circuitos RC conectados corresponden a segmentos adyacentes de una neurita pasiva. Las resistencias extracelulares r_e (los contrapartes de las resistencias intracelulares r_i) no se muestran, ya que son generalmente insignificantes; el medio extracelular se puede suponer que tiene el mismo voltaje en todas partes.

El flujo de corrientes dentro de un axón se puede describir cuantitativamente mediante la teoría del cable y sus elaboraciones, como el modelo compartimental. La teoría del cable fue desarrollada en 1855 por Lord Kelvin para modelar el cable telegráfico transatlántico y Hodgkin y Rushton demostraron su relevancia para las neuronas en 1946. En la teoría del cable simple, la neurona se trata como un cable de transmisión perfectamente cilíndrico, eléctricamente pasivo, que se puede describir mediante una ecuación diferencial parcial

τ τ ∂ ∂ V∂ ∂ t=λ λ 2∂ ∂ 2V∂ ∂ x2− − V{displaystyle tau {frac {partial V}{partial #=lambda ^{2}{frac {partial ^{2}V}{partial ¿Qué?

donde V(x, t) es el voltaje a través de la membrana en un momento t y un posición x a lo largo de la neurona, y donde λ y τ son las escalas de tiempo y longitud características en las que esos voltajes decaen en respuesta a un estímulo. Con referencia al diagrama del circuito a la derecha, estas escalas se pueden determinar a partir de las resistencias y capacitancias por unidad de longitud.

τ τ =rmcm{displaystyle tau =.

λ λ =rmrl l {displaystyle lambda ={sqrt {frac {} {fn} {fn} {fnMicrosoft}} {fnMicrosoft} {fn} {fn}} {fn}}} {fn}}} {fn}}} {fnfn}} {fnfnf}}}} {fnfnfnfnf}}}}}f}}}}}}}}}}}}}\\\\\\fn\\fn\\\fn\\fn\\fnf}}}}}}}}}}}}\\\\\\\\fn\\fn\\\fnfnfn}}}}}}}}\\\\\\\\\\\\fn}}\\ }

Estas escalas de tiempo y longitud se pueden utilizar para comprender la dependencia de la velocidad de conducción del diámetro de la neurona en las fibras amielínicas. 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 dado (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_i es menor en un axón que en otro (por ejemplo, porque el radio del primero es mayor), el la longitud de decaimiento espacial λ se vuelve más larga y la velocidad de conducción de un potencial de acción debería aumentar. Si la resistencia transmembrana r_m aumenta, eso reduce la "fuga" corriente a través de la membrana, lo que también hace que λ se alargue, lo que aumenta la velocidad de conducción.

Terminación

Sinapsis química

En general, los potenciales de acción que llegan a los botones sinápticos hacen que se libere un neurotransmisor en la hendidura sináptica. Los neurotransmisores son moléculas pequeñas 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 al voltaje 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. Este complejo proceso es inhibido por las neurotoxinas tetanoespasmina y toxina botulínica, responsables del tétanos y el botulismo, respectivamente.

Sinapsis eléctricas entre células excitables permiten que los iones pasen directamente de una célula a otra, y son mucho más rápidos que los sinapsis químicos.

Sinapsis eléctricas

Algunas sinapsis prescinden del "intermediario" del neurotransmisor, y conectan las células presinápticas y postsinápticas. Cuando un potencial de acción alcanza dicha 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 poros conocidos como conexiones. Así, las corrientes iónicas del potencial de acción presináptico pueden estimular directamente la célula postsináptica. Las sinapsis eléctricas permiten una transmisión más rápida porque no requieren la difusión lenta de neurotransmisores a través de la hendidura sináptica. Por lo tanto, las sinapsis eléctricas se utilizan siempre que la respuesta rápida y la coordinación del tiempo son cruciales, como en los reflejos de escape, la retina de los vertebrados y el corazón.

Uniones neuromusculares

Un caso especial de sinapsis química es la unión neuromuscular, en la que el axón de una neurona motora termina en una fibra muscular. En tales casos, el neurotransmisor liberado es la acetilcolina, que se une al receptor de acetilcolina, una proteína de membrana integral en la membrana (el sarcolema) de la fibra muscular. Sin embargo, la acetilcolina no permanece unida; más bien, se disocia y es hidrolizado por la enzima acetilcolinesterasa, ubicada en la sinapsis. Esta enzima reduce rápidamente el estímulo al músculo, lo que permite regular delicadamente el grado y el momento de la contracción muscular. Algunos venenos inactivan la acetilcolinesterasa para evitar este control, como los agentes nerviosos sarín y tabún, y los insecticidas diazinón y malatión.

Otros tipos de células

Potenciales de acción cardíacos

Fases de un potencial de acción cardíaca. El aumento agudo de tensión ("0") corresponde a la afluencia de iones de sodio, mientras que los dos decaimientos ("1" y "3", respectivamente) corresponden a la inactivación del canal de sodio y al eflujo repolarizante de iones de potasio. La meseta característica ("2") resulta de la apertura de canales de calcio sensibles al voltaje.

El potencial de acción cardíaco se diferencia del potencial de acción neuronal por tener una meseta extendida, en la que la membrana se mantiene a un alto voltaje durante unos cientos de milisegundos antes de ser repolarizada por la corriente de potasio como de costumbre. Esta meseta se debe a la acción de los canales de calcio más lentos que se 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. 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 nódulo auriculoventricular (nódulo AV), que normalmente es la única vía de conducción entre las aurículas y los ventrículos. Los potenciales de acción del nódulo AV viajan a través del haz de His y de ahí a las fibras de Purkinje. Por el contrario, las anomalías en el potencial de acción cardiaco, ya sea por una mutación congénita o por una lesión, pueden dar lugar a patologías humanas, especialmente arritmias. Varios fármacos antiarrítmicos actúan sobre el potencial de acción cardíaco, como la quinidina, la lidocaína, los bloqueadores beta y el verapamilo.

Potenciales de acción musculares

El potencial de acción en una célula muscular esquelética normal es similar al potencial de acción en las neuronas. Los potenciales de acción resultan de la despolarización de la membrana celular (el sarcolema), que abre los canales de sodio sensibles al voltaje; estos se inactivan y la membrana se repolariza a través de la corriente de salida de iones de potasio. El potencial de reposo antes del potencial de acción suele ser de −90 mV, algo más negativo que las neuronas típicas. El potencial de acción del músculo dura aproximadamente de 2 a 4 ms, el período refractario absoluto es de aproximadamente 1 a 3 ms y la velocidad de conducción a lo largo del músculo es de aproximadamente 5 m/s. El potencial de acción libera iones de calcio que liberan la tropomiosina y permiten 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.

Potenciales de acción de las plantas

Las células vegetales y fúngicas también son eléctricamente excitables. La diferencia fundamental con los potenciales de acción animales es que la despolarización en las células vegetales no se logra mediante la captación de iones de sodio positivos, sino mediante la liberación de iones de cloruro negativos. En 1906, J. C. Bose publicó las primeras mediciones de los potenciales de acción en las plantas, que previamente habían sido descubiertos por Burdon-Sanderson y Darwin. Un aumento en los iones de calcio citoplásmico puede ser la causa de la liberación de aniones en la célula. Esto hace que el calcio sea un precursor de los movimientos de iones, como la entrada de iones de cloruro negativos y la salida de iones de potasio positivos, como se ve en las hojas de cebada.

La entrada inicial de iones de calcio también supone una pequeña despolarización celular, lo que hace que se abran los canales iónicos controlados por voltaje y permite que los iones de cloruro propaguen la despolarización completa.

Algunas plantas (p. ej., Dionaea muscipula) utilizan canales controlados por sodio para realizar movimientos y esencialmente "contar". Dionaea muscipula, también conocida como Venus atrapamoscas, se encuentra en los humedales subtropicales de Carolina del Norte y Carolina del Sur. Cuando hay pocos nutrientes en el suelo, la trampa para moscas se basa en una dieta de insectos y animales. A pesar de la investigación sobre la planta, falta una comprensión detrás de la base molecular de las trampas para moscas de Venus y las plantas carnívoras en general.

Sin embargo, se han realizado muchas investigaciones sobre los potenciales de acción y cómo afectan el movimiento y el mecanismo de relojería dentro de la trampa para moscas de Venus. Para empezar, el potencial de reposo de la membrana de Venus atrapamoscas (-120 mV) es más bajo que el de las células animales (generalmente -90 mV a -40 mV). El potencial de reposo más bajo facilita la activación de un potencial de acción. Por lo tanto, cuando un insecto aterriza en la trampa de la planta, activa un mecanorreceptor similar a un cabello. Este receptor activa entonces un potencial de acción que dura alrededor de 1,5 ms. En última instancia, esto provoca un aumento de iones de calcio positivos en la célula, despolarizándola ligeramente.

Sin embargo, la trampa para moscas no se cierra después de un disparo. En cambio, requiere la activación de 2 o más cabellos. Si solo se dispara un cabello, arroja la activación como un falso positivo. Además, el segundo cabello debe activarse dentro de un cierto intervalo de tiempo (0,75 s - 40 s) para que se registre con la primera activación. Por lo tanto, comienza una acumulación de calcio y cae lentamente desde el primer desencadenante. Cuando el segundo potencial de acción se dispara dentro del intervalo de tiempo, alcanza el umbral de calcio para despolarizar la célula, cerrando la trampa sobre la presa en una fracción de segundo.

Junto con la posterior liberación de iones de potasio positivos, el potencial de acción en las plantas implica una pérdida osmótica de sal (KCl). Mientras que el potencial de acción animal es osmóticamente neutro porque cantidades iguales de entrada de sodio y salida de potasio se cancelan entre sí osmóticamente. La interacción de las relaciones eléctricas y osmóticas en las células vegetales parece haber surgido de una función osmótica de excitabilidad eléctrica en ancestros unicelulares comunes de plantas y animales bajo condiciones cambiantes de salinidad. Además, la función actual de transmisión rápida de señales se considera un nuevo logro de las células metazoarias en un entorno osmótico más estable. Es probable que la función de señalización familiar de los potenciales de acción en algunas plantas vasculares (p. ej., Mimosa pudica) surgiera independientemente de la de las células excitables de los metazoos.

A diferencia de la fase ascendente y el pico, la fase descendente y la post-hiperpolarización parecen depender principalmente de cationes que no son calcio. Para iniciar la repolarización, la célula requiere el movimiento de potasio fuera de la célula a través del transporte pasivo en la membrana. Esto difiere de las neuronas porque el movimiento de potasio no domina la disminución del potencial de membrana; De hecho, para repolarizarse por completo, una célula vegetal requiere energía en forma de ATP para ayudar en la liberación de hidrógeno de la célula, utilizando un transportador conocido comúnmente como H+-ATPasa.

Distribución taxonómica y ventajas evolutivas

Los potenciales de acción se encuentran en todos los organismos multicelulares, incluidas las plantas, los invertebrados, como los insectos, y los vertebrados, como los reptiles y los mamíferos. Las esponjas parecen ser el filo principal de eucariotas multicelulares que no transmiten potenciales de acción, aunque algunos estudios han sugerido que estos organismos también tienen una forma de señalización eléctrica. 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 mucho con el diámetro axonal y la mielinización.

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 las arterias grandes. Parte de esta función es la estrecha coordinación de eventos mecánicos, como la contracción del corazón. Una segunda función es el cálculo asociado con 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 las de la electrónica digital. La integración de varias señales dendríticas en el montículo de axones y su umbral para formar un tren complejo de potenciales de acción es otra forma de computación, que se ha explotado biológicamente para formar generadores de patrones centrales y se ha imitado en redes neuronales artificiales.

Se cree que el ancestro común procariota/eucariota, que vivió hace unos cuatro mil millones de años, tenía canales activados por voltaje. Es probable que, en algún momento posterior, esta funcionalidad se cruzara para proporcionar un mecanismo de comunicación. Incluso las bacterias unicelulares modernas pueden utilizar potenciales de acción para comunicarse con otras bacterias en el mismo biofilm.

Métodos experimentales

Axones gigantes del calamar inshore de larga distancia (Doryteu este pealeii) eran cruciales para que los científicos entendieran el potencial de acción.

El estudio de los potenciales de acción ha requerido el desarrollo de nuevos métodos experimentales. El trabajo inicial, anterior a 1955, fue realizado principalmente por Alan Lloyd Hodgkin y Andrew Fielding Huxley, quienes recibieron, junto con John Carew Eccles, el Premio Nobel de Fisiología o Medicina de 1963 por su contribución a la descripción de la base iónica de los nervios. conducción. Se centró en tres objetivos: aislar señales de neuronas o axones individuales, desarrollar componentes electrónicos sensibles y rápidos, y reducir los electrodos lo suficiente como para registrar el voltaje dentro de una sola célula.

El primer problema se solucionó estudiando los axones gigantes que se encuentran en las neuronas del calamar (Loligo forbesii y Doryteuthis pealeii, en su momento clasificados como Loligo pealeii). Estos axones tienen un diámetro tan grande (aproximadamente 1 mm, o 100 veces más grande que una neurona típica) que se pueden ver a simple vista, lo que facilita su extracción y manipulación. Sin embargo, no son representativos 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 abrazadera de tensión, que permitió a los experimentadores estudiar las corrientes iónicas subyacentes a un potencial de acción de forma aislada y eliminó una fuente clave de ruido electrónico, la corriente I _C asociado a la capacitancia C de la membrana. Dado que la corriente es igual a C veces la tasa de cambio del voltaje transmembrana V_m, la solución fue diseñar un circuito que mantuviera V_m fijo (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 de Faraday y electrónica con alta impedancia de entrada, de modo que la medición en sí misma no afectara el voltaje medido.

El tercer problema, el de obtener electrodos lo suficientemente pequeños para registrar voltajes dentro de un solo axón sin perturbarlo, se resolvió en 1949 con la invención del electrodo de micropipeta de vidrio, que fue rápidamente adoptado por otros investigadores. Los refinamientos de este método pueden producir puntas de electrodos que son tan finas como 100 Å (10 nm), lo que también confiere una alta impedancia de entrada. Los potenciales de acción también se pueden registrar con pequeños electrodos de metal colocados justo al lado de una neurona, con neurochips que contienen EOSFET u ópticamente con tintes que son sensibles a Ca2+ o al voltaje.

Como reveló un electrodo de pinza de parche, un canal de iones tiene dos estados: abierto (alta conductividad) y cerrado (bajo conductance).

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 fue posible en la década de 1970 con el desarrollo de la abrazadera de parche de Erwin Neher y Bert Sakmann. Por este descubrimiento, recibieron el Premio Nobel de Fisiología o Medicina en 1991. El patch-clamping verificó que los canales iónicos tienen estados discretos de conductancia, como abierto, cerrado e inactivo.

En los últimos años se han desarrollado tecnologías de imágenes ópticas para medir los potenciales de acción, ya sea a través de registros multisitio simultáneos o con resolución ultraespacial. Utilizando colorantes sensibles al voltaje, los potenciales de acción se registraron ópticamente a partir de un pequeño parche de membrana de cardiomiocitos.

Neurotoxinas

La tetrodototoxina es una toxina letal que se encuentra en el pez puffer que inhibe el canal de sodio sensible al voltaje, deteniendo los potenciales de acción.

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 de dinoflagelados responsable de las "mareas rojas") bloquean los potenciales de acción al inhibir el canal de sodio sensible al voltaje; de manera similar, la dendrotoxina de la serpiente mamba negra inhibe el canal de potasio sensible al voltaje. Dichos inhibidores de los canales iónicos cumplen un importante propósito de investigación, al permitir que los científicos "apaguen" canales específicos a voluntad, aislando así los otros canales' contribuciones; también pueden ser útiles en la purificación de canales iónicos por cromatografía de afinidad o en el ensayo de su concentración. Sin embargo, tales inhibidores también producen neurotoxinas eficaces y se han considerado para su uso como armas químicas. Las neurotoxinas dirigidas a los canales iónicos de los insectos han resultado insecticidas eficaces; un ejemplo es la permetrina sintética, que prolonga la activación de los canales de sodio implicados en los potenciales de acción. Los canales de iones de los insectos son lo suficientemente diferentes de sus contrapartes humanas que hay pocos efectos secundarios en los humanos.

Historia

Imagen de dos células de Purkinje (marcadas como A) dibujado por Santiago Ramón y Cajal en 1899. Grandes árboles dendritos se alimentan en el soma, desde el cual un solo eje emerge y se mueve generalmente hacia abajo con unos pocos puntos de rama. Las células más pequeñas etiquetadas B son células de gránulo.

El papel de la electricidad en el sistema nervioso de los animales fue observado por primera vez en ranas diseccionadas por Luigi Galvani, quien lo estudió entre 1791 y 1797. Los resultados de Galvani estimularon a Alessandro Volta a desarrollar la pila voltaica, la primera conocida batería eléctrica, con la que estudió la electricidad animal (como las anguilas eléctricas) y las respuestas fisiológicas a los voltajes de corriente continua aplicados.

Los científicos del siglo XIX estudiaron la propagación de señales eléctricas en nervios completos (es decir, haces de neuronas) y demostraron que el tejido nervioso estaba formado por células, en lugar de una red de tubos interconectados (un retículo). Carlo Matteucci siguió los estudios de Galvani y demostró que las membranas celulares tenían un voltaje a través de ellas 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. La velocidad de conducción de los potenciales de acción fue medida por primera vez en 1850 por el amigo de du Bois-Reymond, Hermann von Helmholtz.. Para establecer que el tejido nervioso está formado por células discretas, el médico español Santiago Ramón y Cajal y sus alumnos utilizaron una tinción desarrollada por Camillo Golgi para revelar las innumerables formas de las neuronas, que representaron minuciosamente. Por sus descubrimientos, Golgi y Ramón y Cajal recibieron el Premio Nobel de Fisiología de 1906. Su trabajo resolvió una controversia de larga data en la neuroanatomía del siglo XIX; El mismo Golgi había defendido el modelo de red del sistema nervioso.

Diagrama de cinta de la bomba de sodio-potásico en su estado E2-Pi. Los límites estimados de la bicapa lipídica se muestran como planos azul (intracelular) y rojo (extracelular).

El siglo XX fue una época importante para la electrofisiología. En 1902 y nuevamente en 1912, Julius Bernstein avanzó la hipótesis de que el potencial de acción resultaba de un cambio en la permeabilidad de la membrana axonal a los iones. La hipótesis de Bernstein fue confirmada por Ken Cole y Howard Curtis, quienes demostraron que la conductancia de la membrana aumenta durante un potencial de acción. En 1907, Louis Lapicque sugirió que el potencial de acción se generaba al traspasar un umbral, lo que luego se demostraría como producto de los sistemas dinámicos de conductancias iónicas. En 1949, Alan Hodgkin y Bernard Katz refinaron la hipótesis de Bernstein al considerar que la membrana axonal podría tener diferentes permeabilidades a diferentes iones; en particular, demostraron el papel crucial de la permeabilidad al sodio para el potencial de acción. Hicieron el primer registro real de los cambios eléctricos a través de la membrana neuronal que median el potencial de acción. Esta línea de investigación culminó con los cinco artículos de 1952 de Hodgkin, Katz y Andrew Huxley, en los que aplicaron la técnica de pinzamiento de voltaje para determinar la dependencia de las permeabilidades de la membrana axonal a los iones de sodio y potasio en el voltaje y el tiempo, desde que fueron capaces de reconstruir cuantitativamente el potencial de acción. Hodgkin y Huxley correlacionaron las propiedades de su modelo matemático con canales iónicos discretos que podrían existir en varios estados diferentes, incluidos 'abierto', 'cerrado' e 'inactivo'.. Sus hipótesis fueron confirmadas a mediados de las décadas 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. En el siglo XXI, los investigadores están comenzando a comprender la base estructural de estos estados de conductancia y de la selectividad de los canales para sus especies de iones, a través de estructuras cristalinas de resolución atómica, mediciones de distancia de fluorescencia y estudios de criomicroscopía electrónica.

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 epónima ecuación de Goldman en 1943. La bomba de sodio-potasio se identificó en 1957 y sus propiedades se elucidaron gradualmente, culminando en la determinación de su estructura de resolución atómica mediante cristalografía de rayos X. También se han resuelto las estructuras cristalinas de las bombas iónicas relacionadas, lo que brinda una visión más amplia de cómo funcionan estas máquinas moleculares.

Modelos cuantitativos

Circuito eléctrico equivalente para el modelo Hodgkin-Huxley del potencial de acción. I_m y V_m representan la corriente a través, y el voltaje a través, un pequeño parche de membrana, respectivamente. El C_m representa la capacitancia del parche de la membrana, mientras que los cuatro g's representan las conductas de cuatro tipos de iones. Las dos conductances a la izquierda, para potasio (K) y sodio (Na), se muestran con flechas para indicar que pueden variar con el voltaje aplicado, correspondiente a los canales de iones sensibles al voltaje. Las dos conductas en la ayuda correcta determinan el potencial de membrana de reposo.

Los modelos matemáticos y computacionales son esenciales para comprender el potencial de acción y ofrecen predicciones que pueden probarse con datos experimentales, proporcionando una prueba estricta 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). Aunque el modelo de Hodgkin-Huxley puede ser una simplificación con pocas limitaciones en comparación con la membrana nerviosa realista tal como existe en la naturaleza, su complejidad ha inspirado varios modelos aún más simplificados, como el modelo de Morris-Lecar y el modelo de FitzHugh-Nagumo., los cuales tienen solo dos ODE acopladas. Las propiedades de los modelos de Hodgkin-Huxley y FitzHugh-Nagumo y sus parientes, como el modelo de Bonhoeffer-Van der Pol, han sido bien estudiados en matemáticas, computación y electrónica. Sin embargo, los modelos simples de potencial generador y potencial de acción no logran reproducir con precisión la velocidad de los picos neurales cercanos al umbral y la forma de los picos, específicamente para los mecanorreceptores como el corpúsculo de Pacini. La investigación más moderna se ha centrado en sistemas más grandes e integrados; al unir modelos de potencial de acción con modelos de otras partes del sistema nervioso (como dendritas y sinapsis), los investigadores pueden estudiar la computación neuronal y los reflejos simples, como los reflejos de escape y otros controlados por generadores de patrones centrales.