⚡︎ Neuronas y propiedades eléctricas I

En toda clase básica de neurofisiología se enseña que las membranas de nuestras neuronas son una bicapa lipídica. Esto nos viene a reflejar que están conformadas por fosfolípidos de tal manera que encontramos apolaridad en el interior y polaridad en las cabezas. Esta composición permite que pueda actuar como un capacitador acumulando carga, algo esencialmente útil de cara a poder generar un flujo de iones simulando el funcionamiento de un circuito eléctrico básico.

Por tanto, esta membrana poseerá capacitancia que permitirá el flujo de iones hacia el interior, o exterior, de la célula. Sin embargo, para que esto ocurra, la membrana necesitará de ciertas «estructuras» (canales) ya que, a grosso modo, es impermeable a este flujo.

Por otro lado, en todo circuito eléctrico solemos encontrar resistencias que en nuestro caso será el conjunto de canales cerrados que encontramos en la membrana. Dado lo dicho, la ley de Ohm que se utiliza principalmente para comprender los fundamentos principales de los circuitos eléctricos, también es aplicable a nuestro sistema nervioso.

V = I * R

Esta ley nos viene a reducir la relación entre la diferencia de potencial (voltaje) con la intensidad de la corriente que fluye por el circuito conjunto la proporcionalidad de esta con la resistencia eléctrica. Como hemos mencionado, esto es lo mismo que ocurre en nuestras membranas fosfolipídicas.

Modelo eléctrico de nuestras membranas

En primera instancia, con los canales cerrados, los iones fluyen hacia la membrana cargando el capacitador. Ante la apertura de estos canales, las cargas entran o salen de la célula de una manera dependiente a la cantidad de resistencia encontrada. Es decir, a más canales abiertos, la resistencia es menor y el flujo será mucho mayor. Importante destacar que este cambio será más bien exponencial antes que instantáneo por este mismo proceso expuesto.

De igual forma, el cambio de voltaje que podemos observar por el flujo de iones no ocurre de manera instantánea sino progresiva por la presencia de la capacitancia. Es decir, que los iones primero serán acumulados para posteriormente pasar a través de los canales abiertos.

Potencial de membrana

Nuestras neuronas no presentan una distribución equitativa de iones fuera y dentro de la célula. Necesitan de un potencial asimétrico que permita la generación de impulsos nerviosos. Por ello, contamos de ciertos canales, como las bombas de sodio-potasio o canales de «leak», que nos lo permiten. Estos mantendrán un fino equilibrio entre el medio extra e intra-celular.

Por ejemplo, esta bomba de Na-K utilizará ATP para hacer entrar 3 iones de K+ dentro de la célula y hacer salir 2 de Na+. Por tanto, el potencial de membrana bajará de manera progresiva hasta un valor alrededor de los -60mV. Alcanzará estos valores ya que diferentes canales de leak estabilizarán este potencial dejando salir iones de potasio para que el potencial no se reduzca en exceso.

Para que veamos la importancia de este juego de iones, si a un paciente se le inyectará potasio, el potencial de reposo subiría por un aumento extra-celular de este. El potencial de reversión para el K+ cambiaría y la neurona se volvería hiper-excitable por una mayor facilidad para desporalizarla. Sin embargo, un aumento abrupto de sodio, aún sus consecuencias en otros lugares, no modificaría el potencial de membrana por que este depende mayoritariamente del potasio intra-celular.

Introduciendo a Nernst y Goldman

Cada ion tiene un equilibrio determinado que dependerá y tendrá un alta influencia por la temperatura, la valencia del ion (Nº de electrones que cede, o le faltan, a un elemento), la constante del gas y la constante de Faraday (cantidad de carga en un mol de electrones).

Esto fue establecido por Nernst y por ello la ecuación utilizada quedó en su honor. A términos prácticos, el potencial de equilibrio refleja esa cantidad de iones dentro y fuera de la célula que aún con las resistencias abiertas se mantendrían en sintonía. Por ejemplo, para el potasio se encuentra alrededor de los -75mV. En estas condiciones si el potencial fuese mayor, los iones entrarían y por debajo saldrían. A contrapartida, el potencial para el sodio se establece alrededor de los +60mV.

La ecuación de Goldman es la versión modificada de Nernst donde podemos calcular el potencial de membrana según todos los iones a partir de la concentración extra e intracelular de estos.

Dependiendo de las condiciones de la neurona, la permeabilidad para los iones puede diferir. En caso del potasio y el cloro se mantiene relativamente estable, no obstante ante la entrada masiva del sodio y el calcio durante un potencial de acción, esa permeabilidad cambia significativamente (de 0.04 a 20).

Potencial de Acción respecto el Potencial de Membrana

En el contexto de una neurona, una inyección de corrientes negativas provocaría la hiperpolarización del potencial. Ante las cargas positivas, el potencial se despolarizaría progresivamente. A partir de cierto umbral, se pueden abrir canales de sodio voltaje-dependientes que permitirían la producción de un impulso nervioso. Sin embargo, podemos decir que este hecho sigue una regla de «todo o nada» donde hay una gran dependencia de ese mismo umbral. Posteriormente a los canales de sodio, se abrirían los de potasio permitiendo su salida.

La típica representación de este impulso proviene del axón de un calamar. No obstante, estos potenciales son altamente variables dependiendo el organismo o la propia neurona. Además, no solamente podemos estudiar el cambio de potencial en forma de voltaje sino también las corrientes de iones a través de los canales. No menos importante, a partir de la farmacología y el posible bloqueo de canales selectivos podremos estudiar aquellos de interés.

Dependiendo de la población de canales iónicos de la propia neurona, las respuestas observables serán diferentes y seguirán comportamientos distintos. Algunas neuronas, ante la inyección de corriente, pueden estar produciendo potenciales de acción reiterativos mientras otras les costará disparar impulsos y solo responderán con unos pocos. En caso de las «bursting neurons» seguirán un patrón rítmico como el corazón y en las spike-accomodation observaremos cierto «acomodamiento» posterior al impulso. Por tanto, concluyendo este apartado, olvidemos de nuestra mente cierto idealismo en cuanto a los PA.

Potenciales post-sinápticos

Los potenciales funcionan como haces de luz, como destellos. Cuando una neurona pre-sináptica envía estos destellos, lo que ocurrirá es que se segregarán neurotransmisores en la hendidura sináptica que activarán ciertos canales de la neurona post-sináptica que desplolarizarán la célula. Esta última puede responder de varías maneras según la intensidad de lo recibido.

En el caso A, observamos que ante los cuatro impulsos la despolarización subsiguiente es suficiente para superar ese umbral que mencionamos. Sin embargo, también se puede dar el caso donde la célula no generará el impulso. Si lo miramos desde cierta perspectiva, es una manera de filtrar la información que recibimos donde solo aquella que es relevante será capaz de producir una respuesta significativa.

Podemos decir que este tipo de respuestas vendrán condicionadas por la resistencia (canales) y la capacitancia en relación a la constante del tiempo. Esta constante, tau, refleja la curva exponencial de la capacitancia. Por tanto, a menor valor de capacitancia encontraremos menor tau y mayor recuperación donde la sumación será algo más complicada. En términos prácticos, las células grandes se despolarizan más lentamente pero presentan mayor facilidad para el fenómeno de sumación de impulsos.

En la placa neuromuscular, el elemento post-sináptico son las fibras musculares que podrán contraerse gracias a la liberación de neurotransmisores por parte de la neurona que lo inerva. Dependiendo la cantidad de inervación, encontraremos neuronas con mayor o menor capacitancia que determinarán la cantidad de impulso necesario para que dispare. Por otro lado, las propiedades y la longitud del axón condicionará la propagación del potencial ya que a lo largo del trayecto va perdiendo hasta desaparecer.

Sumación temporal y espacial & tipo de fibras

Para producir el potencial de acción, la despolarización debe llegar a la «trigger zone» del axón. Esta llegada dependerá en gran medida de la constante de espacio: donde a más grande, más fácil será. Esta constante se calcula a partir de la raíz cuadrada de la resistencia de la membrana (canales cerrados) y la resistencia del axón (diámetro). Cuanto más grande es el diámetro, más sencilla es la transferencia. De hecho, podemos clasificar las fibras según este parámetro que determinará de igual modo la velocidad de transmisión.

Por eso hemos de resaltar las propiedades más pasivas, ya que a menor resistencia del axón, mejor será la constante de espacio y más óptima la conducción.

La constante de tiempo también condiciona la facilidad de fenómenos como la sumación temporal. Esto se refiere al hecho de sumar los impulsos recibidos para llegar al umbral, donde a mayor constante de tiempo, más facilidad para ello por una recuperación existente más lenta. Por otro lado, la sumación espacial es la capacidad de sumar impulsos provenientes de distintos contactos con neuronas pre-sinápticas. Un proceso dependiente de la constante de espacio, donde a mayor longitud, mayor facilidad para la sumación espacial.

Canales iónicos

Hasta ahora, ya hemos mencionado por encima que papel juegan los canales dentro del circuito eléctrico. Aún así nos hemos dejado muchas cosas en el tintero que matizaremos en este apartado. Como comentamos, son las resistencias que cuando se abren permiten el flujo de iones. Pero, como con todo, no todos se comportan igual y son altamente variables dependiendo de ciertas variables:

  • Conductancia
  • Selectividad iónica
  • Tipo de apertura
  • Farmacología de este

Podemos decir que cada canal tiene una conductancia unitaria que le caracteriza conjunto un comportamiento específico. Todas estas variables se puede caracterizar mediante patch clamp. De hecho, mediante gráficas I-V podemos observar las tendencias de estos donde encontramos comportamientos lineales o rectificadores (ya sea de salida o de entrada). La permeabilidad, por su parte, dependerá de los aminoácidos que conformen el poro del canal determinando el pasaje de aniones o cationes. A su vez, que pasen unos u otros, también dependerá de la hidratación del ion, de su carga y de la estructura del canal.

Encontramos una gran tipología de canales: unos se abren por ligando, otros por voltajes, algunos se regulan por procesos de fosforilación y otros pueden ser mecanosensibles. Por tanto, se comportarán de formas muy diferentes, siendo, por ejemplo, los iónicos mucho más rápidos que los metabotrópicos. En cuanto a su proceso de cierre, los canales poseen ciertos aminoácidos que bloquean el poro de distintas formas. Dependiendo el comportamiento de este bloqueo, el flujo de iones puede mostrar distintas conductas.

De hecho, debemos diferenciar diferentes estados del canal ya que este puede estar en reposo, activado, inactivado o, incluso, desensibilizado. Mecanismos que previenen efectos indeseados para no desencadenar mecanismos y cascadas de señalización no beneficiosas.

Finalmente, la farmacología es de gran utilidad para determinar como se comportan estos canales gracias al estudio de agonistas que comparten función, antagonisas reversibles que comparten mismo sitio de unión que el agonista, antagonistas irreversibles que se unen en lugares diferentes, reguladores o co-activadores que potencian al agonista o bloqueadores directos que inactivan el canal.

Conclusión

Nuestras neuronas generan impulsos nerviosos por el hecho de simular un circuito eléctrico donde la capacitancia depende de la propia membrana y la resistencia de los canales cerrados. De manera general, la distribución de iones es asimétrica, siendo el potencial de nuestra célula negativo por tener una mayor concentración de potasio. El cambio de voltaje dado por el impulso de una neurona pre-sináptica, permitirá abrir canales de sodio voltaje-dependientes que en caso de superar el umbral suficiente producirá un potencial de acción. Este último proceso sigue la ley del todo o nada y se encuentra altamente condicionado por las propiedades de la neurona, destacando la constante de espacio y de tiempo. Dichas constantes vendrán dadas tanto por propiedades pasivas de la neurona (diámetro) como de la alta variabilidad de canales que nos encontramos (resistencia).

Un fuerte abrazo,

Javier

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