2º Parcial, Parte III

Otros efectos de los canales que pasan de estar cerrados a abrirse es que producen un flujo de iones (por ejemplo, las corrientes de calcio). Las corrientes a través de la membrana producen efectos generales englobados en las propiedades eléctricas de la neurona.

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Este es un esquema de un experimento. Se comprueba en el soma neuronal el potencial transmembrana con una micro pipeta de vidrio unida a un sistema de registro (voltímetro) que mide la diferencia de potencial entre el interior y el exterior (tomando como voltaje de referencia 0V el potencial de la corteza terrestre al enterrar en un pozo con carbón y arena una pica). La pipeta se haya unida a un micro regulador de avance (de paso milimétrico, ya siendo manual o eléctrico) calcula una diferencia de potencial de 0mV mientras la pipeta está fuera de la célula. En el momento en que penetra la célula, mide una diferencia de potencial de -60mV. (Se hace de forma indirecta, la punta de la pipeta no se alcanza a ver ni con un microscopio).
De esta manera cuando pasamos una corriente a través de la membrana, podemos analizar como cambia el potencial transmembrana.

Kirchhoff establece las leyes de las corrientes eléctricas:
Cuando hay varios conductores conectados entre sí, la suma de las corrientes entrantes y salientes al nudo es cero. Σ In = 0 (Las cargas no se acumulan, tienden a repelerse).
Gracias a esto, predecimos el comportamiento de la neurona. Al inducir una corriente esta “escapa” por todos los canales abiertos.

Con otra pipeta pasamos una corriente eléctrica [Amperios, A y submúltiplos nano amperios, nA] mediante un generador de corriente que mueve carga desde fuera al interior de la neurona. Esta carga escapa al exterior por todos los canales (abiertos o activos en reposo).
La corriente la pasamos en forma de pulsos (no de forma continua) de forma que los pulsos positivos al interior se representan históricamente hacia abajo, mediante electrodos de estimulación. Observamos como cambia el voltaje transmembrana.

Ohm estableció una ley que relaciona el voltaje con una corriente de manera que mide al flujo de carga por unidad de tiempo.
“La corriente que pasa por un conductor eléctrico es directamente proporcional a la diferencia de potencial e inversamente proporcional a la resistencia que este conductor opone a su paso”. i = ΔV / R; ΔV = i · R

Podemos asumir que la membrana produce cierta resistencia al paso de corriente. Calcularemos lo que cambia el potencial transmembrana. Cuando se aplica una diferencia de potencial positiva se produce una despolarización desde los -60mV hacia los 0mV. Esto provoca un reflujo hacia fuera que produce una diferencia de potencial y de ahí deducimos la resistencia transmembrana. Se obtienen estas gráficas.

Mediremos la altura de la respuesta (la diferencia de potencial) cuando aplicamos un pulso de i1 obteniendo V1. Tras aplicar un pulso mayor i2 y obtener V2, trazamos una recta que atraviesa el origen, donde la resistencia R viene dada por la pendiente. Cuanto más horizontal sea la recta, menor será la pendiente y, por lo tanto, menor será la resistencia.
Cada neurona tiene una resistencia distinta en función de su tamaño (con el modelo de las puertas podemos hacernos una idea. A mayor número de puertas abiertas, con mayor facilidad se entra y sale de una habitación concurrida). Cuando mayor es una neurona, menos resistencia opone al paso de corriente. (El símbolo “oc” se corresponde con la función “directamente proporcional”).

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Tenemos representados dos posibles modelos (hipotéticos) de la membrana celular. Utilizaremos dos electrodos, uno para medir la diferencia de potencial y otro para pasar una corriente.
Pasamos dos pulsos iguales:
Si el circuito equivalente (resumir todos los canales en un solo componente simbólico) es una resistencia.
Si en el circuito equivalente colocamos también un condensador.
Observamos que para el segundo caso la variación de potencial está deformada de forma que no alcanza instantáneamente el valor máximo si no que tarda cierto tiempo en alcanzarlo y en normalizarse posteriormente.
Llegamos a la conclusión de que la membrana tiene un circuito equivalente formado por una resistencia y una capacidad de condensador en paralelo con ella.

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Veremos las propiedades de los condensadores:
Los condensadores están formados por dos láminas de un material conductor separadas por un aislante. Entre las dos láminas no se produce corriente eléctrica. A pesar de eso, se carga de energía eléctrica consumiendo electricidad que “pasa” para que se cargue hasta un valor fijo. Este es un proceso momentáneo hasta que el condensador esta completamente cargado tras un período de tiempo. (Un sandwitch entre dos monedas y un celofán).
No todos los condensadores son iguales, se pueden comparar según su capacidad [C] eléctrica (medida en Faradios). Esa se define como el cociente entre la carga acumulada en las láminas del condensador en relación a la diferencia de potencial a la que se somete.
Vamos a comparar dos ecuaciones. Intensidad de corriente, i = C / t. que mide el flujo en culombios por segundo; ΔV = i Δt / C. La diferencia de potencial es una función del tiempo. El voltaje tarda cierto tiempo en alcanzar el valor máximo y cuando se interrumpe la estimulación tarda en volver a cero. (Es como un almacén de carga que causa un retraso en todo el proceso).
El condensador está incluido en la membrana en paralelo, repartido por toda la superficie celular de la neurona. La membrana lípida es el aislante entre dos medios conductores.
Las diferentes gráficas que se producen al paso de una corriente positiva dependen de cuánto se tarda en alcanzar el punto máximo y cuánto se tarde en recuperar el punto inicial. Se produce una persistencia (toda la ventana de tiempo durante la cual el potencial no es normal pero no se produce paso de corriente estimular). El condensador tarda cierto tiempo en cargarse y descargarse. La respuesta será mucho más ancha que el estímulo. (Por ejemplo, la carga de un flash).

Hay otro punto, representado por τ, que es la constante de tiempo.
τ = R · C. (La resistencia transmembrana por la capacidad)
Es el tiempo que transcurre hasta que esta respuesta alcanza el 66% (2/3) de la máxima.

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Esta constante de tiempo tiene dos implicaciones en dos funciones:
Señales que se atenúan en el espacio (en las dendritas y el soma).
Señales que no se atenúan en el espacio (en los axones, donde se regenera).

Los esquemas representan la atenuación temporal (arriba) y la atenuación espacial (abajo).

Si pasamos un pulso rectangular, el pulso persiste mientras se atenúa. Se mide mediante la constante de tiempo. La curva decreciente es simétrica a la creciente.

Atenuación espacial: Similar a la τ, vamos a definir la constante de espacio λ (lambda).
Inducimos corriente en el extremo de una dendrita y registramos a distintas longitudes observando las respuestas consecutivamente más pequeñas (voltios).
Según la ley de Kirchhoff, la corriente escapa por los canales abiertos y el condensador de la membrana. Observamos el circuito equivalente de la membrana celular (NO la dendrita). La resistencia interna se calcula acumulativamente (se van sumando) R = R1 + R2 + …
Cuando pasa corriente, la corriente de vuelta retorna por estos componentes a la vez que va avanzando. La corriente siempre busca el sitio más rápido (como un conductor apresurado) dependiendo de cuál es el camino más fácil. Resistencia axial frente la resistencia transmembrana.
Con el mismo símil, los condensadores son como aparcamientos que acumulan carga (o conductores) y después los devuelven. El parámetro que permite compara esto es λ, la resistencia longitudinal.
Sin capacidad de membrana las neuronas no podrían integrar información.

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Presentamos una simulación por ordenador de un experimento donde vamos a cambiar el potencial transmembrana para ver las respuestas. Al ser un modelo formal, el experimento es mucho más barato y rápido.
Para realizar este experimento usaremos tres estímulos de corriente que repetiremos en tres ensayos cambiando los tres valores de la capacidad de membrana. Calcularemos el efecto del cambio en la capacidad de membrana sobre el potencial transmembrana.
Producimos dos pulsos despolarizantes (corriente eléctrica positiva en el interior de una dendrita) uno a continuación del otro y posteriormente un tercero.
En el primer caso la capacidad de membrana es muy pequeña. Se producen tres despolarizaciones iguales. Las dos primeras idénticas con la forma típica de cuando se interpone un condensador. Se tarda cierto tiempo en alcanzarse el potencial máximo y en normalizarse.
Al aumentar la capacidad de membrana aparece un pico que antes de normalizarse recibe el segundo estímulo produciéndose la sumación, dado que el segundo ocurre casi inmediatamente después. El tercer pulso no se ve afectado.
En el último caso (gran capacidad de membrana) se tarda tanto tiempo en volver al valor inicial que afecta la sumación al tercero de los estímulos.

Gracias a la capacidad de membrana (gracias a que la neurona es un condensador) puede ocurrir sumación de respuesta, que está tras la capacidad de las neuronas de integración de información.
Si la neurona no poseyera capacidad de membrana (prácticamente en el primer caso) no se produciría sumación de respuesta. Esta capacidad puede entenderse como un mecanismo de memoria (una ventana temporal que condiciona la respuesta del estímulo que lo sigue. Cuanto mayor es la capacidad, mayor es la ventana temporal).

Los pulsos rectangulares no son los pulsos típicos neurales, por eso esta onda α (alfa) representa un pulso sináptico y se registra el efecto de este pulso sobre el potencial transmembrana. Durante todo el tiempo que tarda en recuperar la normalidad, otro pulso consecutivo se sumaría.

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Las neuronas son capaces de sumar y restar en el tiempo y el espacio (sumación temporal y sumación espacial).
Un experimento realizado en dos neuronas con una constante de tiempo grande y otra pequeña. (A) simboliza una sinapsis. La interneurona (A) emite dos espigas y se libera neurotransmisor dos veces, abriendo canales ligando dependientes. Se genera una corriente positiva de entrada.
Se registra con un electrodo en el soma de constante de tiempo pequeña (τ = 20ms) dos despolarizaciones iguales no condicionadas.
Con una neurona con constante de tiempo mayor (τ = 100ms) llega la segunda señal antes de la normalización. Se suma en una espiga que se transmite. Sumación temporal: Dos estímulos de entrada se suman porque se produce uno en el mismo sitio y a continuación del otro.
En un segundo caso dos sinapsis en dos dendritas producidas por las interneuronas (A) y (B). Se realiza el experimento a dos neuronas, una con constante de espacio pequeña y otra elevada.
Las señales llegan prácticamente al mismo tiempo pero en lugares distintos. En una neurona de constante de espacio pequeña se producen dos despolarizaciones. En una neurona con constante de espacio elevada se da la sumación espacial: Dos señales que llegan al mismo tiempo en sitios distintos.

Cuando la capacidad de neurona es más grande, se facilita la sumación temporal pero la señal “muere antes”. Se dará menos capacidad de sumación en el espacio.
En el tamaño de la neurona, no se trata de mucho o poco si no de alcanzar la medida justa que corresponde. La evolución ha ido depurando el valor para cada tipo. Es un valor crítico. Si este es mayor o inferior al adecuado, las capacidades se verán mermadas.

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En estos diagramas podemos ver el modelo experimental anterior.
Un tracto de tres sinapsis agrupadas (haces de axones) que ante una estimulación (se necesita usar material más complicado y una diferencia de potencial aproximadamente 10 veces mayor) liberan neurotransmisor produciendo una corriente positiva de entrada.
Se miden diferentes registros. En el segundo se da una atenuación en el espacio. Si registramos antes de la primera vaina de mielina en el axón, vemos la señal como una espiga. La encontramos exactamente igual en todos los nodos de Ranvier. No se atenúa.
En la segunda imagen está representado el umbral para poder producir potenciales de acción. El umbral más bajo está en el segmento inicial de la colina axónica. La segunda línea mide el perfil de la altura de los potenciales. Cuando el potencial supera el umbral es el momento en que se producen los potenciales de acción (uno o varios).
La atenuación es una caída exponencial. ¿Cuál es la causa de que no se atenúe en un axón?, ¿Qué cambia en la membrana?
En la tercera gráfica se representa la densidad de canales de sodio voltaje dependientes. Es mayor en la colina axónica y después se repite en todos los nodos de Ranvier. La clave de que la señal se mantenga sin decremento es la presencia de canales voltaje dependientes de sodio.

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En la parte superior se representa la atenuación y en la inferior la solución presente en los axones. Una cadena de transmisión donde la señal se regenera en cada punto.
El monigote que está pasmado representa el período refractario, un período de inhibición cuando se ha transmitido un potencial de acción.

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En la parte superior la información son decremento que se atenúa en las dendritas y el soma. Estas respuestas mediadas por los canales siempre abiertos hacen posible que la corriente haga esos flujos de vuelta. Se cualifican a través de la constante λ. La señal se vuelve 1/3 cada 0,1-1mm de forma exponencial. No tienen umbral, son respuestas graduadas.
Por el contrario, las señales que no se atenúan (potenciales de acción o espigas) dependen de canales voltaje dependientes. Son idénticas en amplitud y duración. Son binarias y tienen umbral. Aparecen primero en la zona de activación y se propagan por el axón. Las dendritas y el soma no producen potenciales de acción. Tienen períodos refractarios. El lugar por donde pasa un potencial de acción queda inútil durante un período muy corto de tiempo para prepararse al siguiente.

Si en un axón mielinizado inyectamos corriente positiva por canales de sodio, esta progresa en ambos sentidos (nosotros solo estudiamos la progresión hacia delante). La resistencia axial se presenta en serie. La corriente avanza y puede atravesar la membrana pero parte de la corriente se invierte en cargar el condensador de membrana. En el siguiente nodo, ocurre lo mismo.
Supongamos que este esquema pertenece a un paciente desmielinizante (enfermedad rara que ataca zonas localizadas como manchas en las que la mielina casi desaparece).
Como la capacidad (véase 33 ) depende de la distancia entre láminas, al acercar el conductor extracelular al intracelular, la capacidad de membrana aumenta y se necesita más carga para el condensador. Esa corriente que se lleva el condensador no progresa y en el siguiente nodo de Ranvier no se produce potencial de acción. Estos pacientes poseen parálisis (limitación motora) progresiva.

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Hodgkin y Huxley fueron los primeros que establecieron un modelo formal del funcionamiento de la neurona (entre 1952 y 1957). Con sus simulaciones podían predecir la forma los potenciales de acción. Fueron los primeros en diferenciar canales, reconocer que estos eran selectivos y además que algunos de ellos eran voltaje dependientes.
Estudiaban los axones de calamar (0,9-1mm) con dos alambres de oro afilados electrolíticamente registrando corrientes. Gran dificultad para demostrar los canales voltaje dependientes porque no se diferenciaba la causa del efecto. Intentaron comparar las corrientes eliminando uno a uno los iones de los medios intracelular y extracelular y empleando todos los venenos con efectos conocidos sobre el sistema nervioso. Encontraron dos sustancias que bloqueaban los canales de sodio y potasio respectivamente. Elaboraron un dispositivo capaz de mantener el potencial transmembrana en un valor fijo (“clan de voltaje”).