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Introducción
En esta segunda entrega vamos a centrarnos en cómo se organiza a nivel microscópico el sistema nervioso. Si el primer tema era una aproximación macroscópica, esta se centra en los aspectos micro. Pido perdón de antemano por el título, puesto que vamos a tocar más conceptos además de la histología pura y dura, pero hay limitaciones de espacio y no me deja añadir la coletilla de electrofisiología.
¿El objetivo? Cubrir lo siguiente:
- Concepto de neurona, tipología y morfología.
- Repaso de los tipos celulares de la glía.
- Bases de la electrofisiología y el potencial de acción. Transmisión de potenciales.
- Concepto de sinapsis, tipos.
Con este y el anterior tenemos suficiente como para abordar, desde una perspectiva simplificada, los grandes temas de la Neurociencia.
Concepto de neurona, tipología y morfología
La neurona es la unidad estructural y funcional del sistema nervioso. Una neurona es una célula con un alto grado de especialización, capaz de generar y transmitir un potencial de acción. Es por ello que pertenecen al grupo de las células excitables o células que, ante un estímulo, producen y propagan una respuesta eléctrica. Vamos con una imagen para poder apreciar su morfología.
Este es un dibujo de Santiago Ramón y Cajal, en el que nos presenta una neurona vista al microscopio teñida con una tinción de plata. Como podéis ver en el centro hay una estructura con forma triangular, de la que parten múltiples prolongaciones, siendo una más larga que las demás. Vamos a llamar al triángulo central SOMA y a las prolongaciones que salen de él, NEURITAS.
Vamos a otra imagen.
En este sencillo esquema vemos que a la neurita más larga se le llama axón y a las otras, más cortas, dentritas. En realidad, se denomina axón, neuroeje o FIBRA a la prolongación del soma que transmite el impulso desde éste hacia otra neurona, célula muscular o secretora. Las dentritas, por su parte, son las encargadas de integrar toda la información eléctrica que le llega a la neurona y que puede dar lugar o no a otro potencial de acción. Lo iremos viendo con calma más adelante.
Otro detalle que podéis observar: las dentritas se ramifican profusamente, formando verdaderos árboles. A veces, al final de cada dentrita, podéis apreciar diminutas espinas. Son las zonas de contacto sináptico con otras neuronas. Por el contrario, el axón o neuroeje se ramifica muy poco, siguiendo su trayectoria hasta ramificarse justo al final, en la llamada terminación nerviosa.
Ahora que ya dominamos los conceptos de soma, axón y dentritas, podemos deleitarnos con algunas imágenes preciosas.
Esta neurona de Purkinje cerebelosa tiene un extenso arbol dentrítico
Fijáos como se forma un haz de fibras, con cada axón neuronal apilándose con otros -abajo a la derecha- pero provinientes todos de una neurona más arriba.
Tipos de neurona
No todas las neuronas son iguales. La forma de una neurona está íntimamente ligada a la función que desempeña. Vamos a clasificarlas de manera sencilla atendiendo a varios criterios.
Según la información que transmiten
- Sensitivas: Transmiten información sensitiva que viaja desde la periferia hasta el sistema nervioso central.
- Motoras: Transmiten una orden motora desde el sistema nervioso central hacia la unidad motora muscular correspondiente.
- Asociativas o interneuronas: Son las encargadas de formar circuitos nerviosos y que actúan como puente entre neuronas de cualquier tipo.
Según el número de neuritas
- Monopolares o pseudomonopolares: Sólo tienen una neurita. Típica neurona sensitiva.
- Bipolares: Tienen dos neuritas, normalmente una dentrita y un axón.
- Multipolares: Dos o más neuritas, además del axón. Se clasifican en Golgi tipo I o Golgi tipo II, pero no es relevante para vosotros.
- Anaxónicas: No se distingue axón del resto de las neuritas.
Con imágenes:
Según la localización de la neurona
Existen tipos neuronales únicos o prototípicos de una localización concreta o que tienen una forma característica que las diferencia muy bien del resto. Por ejemplo, las neuronas de Purkinje son neuronas multipolares propias del cerebelo. Hay muchas y creo que es mejor ver cada una en su tema correspondiente. Para el que tenga curiosidad, nombraré un par de ejemplos más: piramidales y granulares.
Según la secreción de neurotransmisores
El término neurotransmisor lo veremos más adelante cuando hablemos de sinapsis, pero os introduciré ya algunos nombres que vamos a usar muchísimo:
- Colinérgicas: Sinapsis mediada por acetilcolina.
- Glutamatérgicas: Sinapsis mediada por glutamato.
- GABAérgicas: Mediada por GABA.
- Noradrenérgicas: Mediada por noradrenalina.
- Dopaminérgicas: Mediada por dopamina.
- Serotoninérgicas: Mediada por serotonina.
Estos no son los únicos neurotransmisores, puesto que también tenemos la sustancia P o los endocannabinoides, aunque sí son los más frecuentes. Las neuronas pueden secretar más de un tipo de neurotransmisor, pero la visión clásica era que cada neurona utilizaba un único tipo. Quizás veas esta clasificación obsoleta, pero se usa tanto -y muchas neuronas tienen un tipo predominante de neurotransmisor- que es mejor conocerla.
Células gliales
Dejamos a un lado las neuronas por ahora, habiéndonos dejado mucho por aprender, pero con una base sólida de lo que sí hemos revisado. Ahora toca hablar de la glía, las células de sostén como se suele decir. Descubriras que el término sostén es muy apropiado, puesto que sin estas células las neuronas morirían irremediablemente. Son también imprescindibles para el buen funcionamiento del sistema nervioso, como comprenderás cuando hablemos de mielina o regeneración.
Astrocitos
Los astrocitos o células estrelladas -no, no se han estampado- son a las neuronas lo que una madre al feto. Las neuronas son células tan especializadas que han perdido muchas de las funciones típicas que encontramos en otras células. No pueden reproducirse, su capacidad para regenerarse es muy limitada y su capacidad para producir energía depende enteramente de dos sustratos: la glucosa y los cuerpos cetónicos -estos últimos como recurso de emergencia en situaciones de ayuno-. Entenderéis por tanto, que sean las más numerosas de todas las células gliales. El término astroglía también se refiere a estas células.
¿Cómo son los astrocitos? Pues tal que así:
¿Qué hacen los astrocitos?
A) Soporte estructural.
Contienen glucógeno, una forma de almacenar la glucosa, de manera que constituyen una auténtica despensa neuronal
C) Suplen otras necesidades metabólicas de las neuronas. Las neuronas dependen de estas células para el reciclaje y la recaptación de ciertos neurotransmisores, una vez estos se han utilizado ya. Este es el caso del GABA, el glutamato o el ATP -sí, también es un neurotransmisor-.
D) Regulan las concentraciones iónicas extracelulares: Esto es clave. Las neuronas, al transmitir sus impulsos eléctricos, liberan al medio gran cantidad de iones que, de no ser reabsorbidos, acabarían entorpeciendo o neutralizando totalmente la transmisión nerviosa.
E) Modulan la neurotransmisión sináptica: La sinapsis tripartita es mejor dejarla para un tema aparte. Centráos ahora en entender la sinapsis simple.
F) Modulan el flujo sanguíneo en los capilares que constituyen la barrera hematoencefálica, de manera que se adapte a las necesidades del momento.
G) Otras menos conocidas, como potenciación a largo plazo, reparación... que quedan fuera de lo "básico".
He mencionado ya el término barrera hematoencefálica. ¿Qué es? Pues una auténtica muralla que impide el paso de sustancias desde la sangre al tejido nervioso, salvo un pequeño grupo. Es posible gracias a que los capilares de los vasos cerebrales tienen un endotelio unido íntimamente, lo cual reduce muchísimo su permeabilidad.
Oligodendrocitos y células de Schwann
¿Alguna vez habéis oído hablar de la famosa vaina de mielina? Pues bien, estas células son las responsables de su existencia. ¿Sustancia blanca? Pues son axones mielinizados. ¿Esclerosis múltiple? Ataque autoinmune contra la vaina de mielina.
Veremos la famosa vaina más a fondo cuando repasemos lo básico de la electrofisiología. Por ahora, vamos a retener que la vaina de mielina es imprescindible para que la velocidad de transmisión nerviosa sea la adecuada. No todas las fibras están mielinizadas, pero las que sí lo están conducen los impulsos varias veces más rápido.
Los oligodendrocitos mielinizan axones en el sistema nervioso central
Pues sí, estas células gliales son las encargadas de mielinizar los axones en el SNC. ¿Cómo lo hacen? Una imagen vale más que mil palabras:
Los oligodendrocitos envuelven con su propia membrana celular -que contiene mielina- hasta cincuenta axones por célula. Existe otra variante de oligodendrocitos y cumplen más funciones además de conformar la vaina de mielina, pero como introducción, os sirve con recordar esta importantísima función.
Las células de Schwann mielinizan axones en el sistema nervioso periférico
Si los oligodendrocitos forman la vaina en el SNC, las células de Schwann hacen lo propio en el SNP. Ahora bien, la manera de hacerlo es bastante diferente. Veámoslo con una imagen:
En este corte axial de una fibra o axón, vemos como la célula de Schwann envuelve poco a poco al axón hasta formar varias capas apuestas de mielina. Como podéis imaginar, dado que estas células se "enrollan" alrededor del axón, lo tienen bastante complicado para poder mielinizar varias fibras a la vez. En efecto, cada célula de Schwann sólo puede mielinizar un axón del sistema nervioso periférico.
Al igual que antes, ésta no es la única función de estas células, pero dejémoslo aquí por ahora.
Hacen falta varios oligodendrocitos o células de Schwann para poder mielinizar completamente un axón
En cualquiera de los dos casos, un oligodendrocito o célula de Schwann sólo puede mielinizar un segmento de un axón, siendo la única diferencia el hecho de que un oligodendrocito puede mielinizar más de un segmento para otros axones cercanos. Esto quiere decir que en su trayecto, un axón deberá ser mielinizado por varias de estas células de soporte, quedando huecos o segmentos sin mielinizr entre célula y célula. Hablaremos más de ello en lo básico de electrofisiología.
Como ejemplo práctico, una fibra sensitiva para el tacto que viene de la punta del dedo gordo del pie, tendrá múltiples segmentos mielinizados por células de Schwann hasta llegar al soma en la médula espinal. Dado que son neuronas pseudomonopolares, la prolongación que sube hasta el encéfalo -recordemos que la médula espinal forma parte del SNC- deberá ser mielinizada a su vez por miles de oligodendrocitos.
¡Cuánto soporte para una sola fibra!
Microglía y otras células gliales
El último tipo celular del que vamos a hablar es la microglía. La microglía son macrófagos especializados del sistema nervioso. Son células con una eminente función de defensa contra gérmenes y limpieza de células muertas, al igual que sus homólogos en otros tejidos. Veamosla en acción:
No voy a explicar aquí la fagocitosis y otros procesos que se dan en el desempeño de su función, pero tened presente un dato: la microglía esconde mucho más de lo que aparenta. Si ahondáis por vuestra cuenta, veréis que hay un extenso campo de investigación que trata de conocer mejor otras funciones como la señalización extracelular que realizan, el "Synaptic stripping" o los fenómenos de regeneración, a los que le dedicaré un tema entero.
Como bien dice el título, existen otros tipos gliales menores que no he mencionado para no hacer más pesado aún el tema. Las células ependimarias, satélites, la importantísima glía radial... el sistema nervioso tiene muchos más tipos celulares de los que os he mencionado. Pero esto es un curso básico ¿no?
Bases de la electrofisiología del sistema nervioso
Hasta ahora, nos hemos limitado a enumerar órganos y células, tocando de pasada la función que desempeña cada una. Ahora vamos a centrarnos en las bases eléctricas y en el fenómeno del potencial de acción, el cual es el responsable de la transmisión de la información. Aunque puede parecer difícil, si vamos poco a poco veréis que al final, es bastante sencillo.
NOTA IMPORTANTE: Me voy a tomar varias licencias. No voy a adentarme en los aspectos más complejos del funcionamiento de los canales iónicos, las bombas o las matemáticas detrás de los gradientes electroquímicos. Esto es un curso básico, pero al que le interese, que comente y le doy bibliografía.
Potencial de reposo
Vamos primero con un concepto básico para entender todo lo demás. El potencial de reposo. ¿A qué llamamos potencial de reposo? Bien, llamamos potencial de reposo a la diferencia de voltaje entre la célula y su medio.
Si recordáis lo básico de la Biología, las células están rodeadas y delimitadas por una membrana plasmática. Esta membrana está compuesta, según el modelo del mosaico fluido, por fosfolípidos, formando una bicapa. En esta bicapa se insertan proteinas y otros componentes que permiten la interacción de la célula con su medio.
Dado que cada célula se encuentra en una matriz extracelular, compuesta fundamentalmente por agua y dado que el interior de una célula o citoplasma es también una solución más o menos hidratada, lo que nos quedan son, en la práctica, dos compartimentos: uno intracelular y otro extracelular.
Los lípidos o GRASAS, como sabréis, son insolubles en agua. Los fosfolípidos tienen una cabeza polar formada por un grupo fosfato ionizado, o dicho de otra forma, una porción soluble. De esta cabeza surgen dos colas lipídicas, que son hidrófobas o no solubles. ¿Qué ocurre cuando un grupo de fosfolípidos se introducen en un medio acuoso? Pues que esconden sus colas, que no son solubles y exponen su cabeza. Así se forma una bicapa.
Veámoslo con una imagen:
Bien, esta bicapa tiene una propiedad llamada permeabilidad selectiva, esto es, que sólo pueden entrar y salir determinadas sustancias y no otras. Las moléculas neutras y pequeñas, como el oxígeno molecular o el agua, difunden con facilidad a través de esta bicapa. Sin embargo, las grandes moléculas -como proteínas- y aquellas que son pequeñas pero estan cargadas elécticamente -iones es mejor ejemplo- no pueden difundir libremente y necesitan para pasar de las proteínas de membrana que ya os he comentado. Dado que estas proteínas de paso pueden regularse, la célula puede controlar el flujo de sustancias entre ella y su medio. ¿Entendéis ahora por qué es selectiva la permeabilidad?
¿Cómo se origina un potencial eléctrico a partir de todo esto?
Las células, en su interior, tienen una concentración de iones determinada. Fundamentalmente, potasio iónico o K+, calcio iónico o Ca2+, algo de bicarbonato iónico o HCO3- y pequeñas concentraciones de sodio o Na+ y Cl-. Además, tienen una gran cantidad de proteínas, por lo general cargadas negativamente. El exterior, sin embargo, tiene concentraciones CONTRARIAS a las del interior. Tiene gran cantidad de Na y Cl.
Aquí una tabla resumen
A los iones vamos a sumarles las grandes proteínas cargadas negativamente que tiene la célula. Como ya hemos comentado, la permeabilidad selectiva de la membrana no permite la libre difusión de moléculas y cargas entre la célula y su medio, sino que está regulada por proteínas de la propia célula.
Voy a simplificaros muy mucho cómo se produce el potencial de reposo. El que tenga interés en un modelo riguroso que me lo haga saber. En primer lugar, se asume que la célula trata de ser electroneutra con respecto a su medio. Esto quiere decir que, globalmente, no hay un exceso de cargas a un lado y otro de la célula. O dicho de otro modo. Para cada carga o ión positivo, hay una carga o ión negativo.
¿Parece contradictorio verdad? ¿Cómo es posible entonces que exista un potencial o diferencia de cargas, en reposo?
Lo sé, lo sé, pero es que en realidad este potencial es fruto de la dinámica de ciertos iones, sobre todo el potasio. Dejando a un lado la ecuación GHK, vamos a centrarnos exclusivamente en el flujo de potasio para aproximarnos a la realidad del potencial de reposo. El K+ estaba mucho más concentrado en el interior que en el exterior gracias a una proteína llamada bomba Na/K. Esta bomba usa energía de la célula para sacar, en cada momento, 3 iones Na de la célula e introducir a su vez 2 iones K. Siempre está activa.
Ahora bien, la célula tiene otras proteínas, llamadas canales -más de esto en breves- que permiten el paso de ciertos iones de un lado a otro siempre que lo hagan de forma pasiva, esto es, por difusión. Algunos de estos canales, son canales de K y están SIEMPRE abiertos. Por tanto, el K, muy concentrado en el interior, fluye pasivamente hacia el exterior de la célula.
¿Recordáis que la célula trata de ser electroneutra? Cuando el K abandona la célula, deja "desparejadas" algunas cargas negativas en forma de iones o proteínas y que, por puro magnetismo, tratan de atraerlas de nuevo hacia el interior. Así, tenemos dos fuerzas. Una, la difusión, hacia el exterior. Otra, la atracción electromagnética, hacia el interior. En el punto en el que estas fuerzas se equilibran y teniendo en cuenta la concentración de sodio, positiva, en el exterior, se forma el potencial de reposo de la neurona. Resumiendo y simplificando, la célula actúa como un concentrador de cargas negativas usando al potasio.
¿Cuál es el potencial eléctrico de reposo de una neurona?
La mayoría de las neuronas tienen un potencial de reposo de -70mV, esto es, la diferencia de cargas eléctricas entre el interior y el exterior es de 70mV a favor del exterior.
Repito, sin usar matemáticas y entendiendo bien los gradientes, no se puede explicar el potencial de reposo. Esto es una burda aproximación.
Potencial de acción
Este punto es sorprendentemente menos denso. Ánimo, que empieza lo divertido. Vamos a explicar cómo se transmite la información, en forma de pulso eléctrico, de una neurona a otra. Para comenzar, definimos potencial de acción como un evento en el cual una célula excitable varía su potencial de reposo para dar lugar a una corriente electroquímica que se puede transmitir. Son un fenómeno de despolarización o pérdida de la diferencia de cargas y de repolarización o recuperación de la diferencia de cargas.
Antes de seguir, tenemos que repasar y comprender algunos conceptos muy sencillos.
Generalidades del potencial de acción
Los potenciales de acción, o espigas -por la forma que adopta su representación gráfica- son un fenómeno de todo o nada. Esto quiere decir que una neurona, o transmite un potencial, o no lo transmite. No existen semipotenciales, o potenciales de menor amplitud. Un estímulo capaz de generar un potencial de acción siempre da lugar al mismo tipo. Mayor intensidad no da potenciales más amplios, sólo cambia la frecuencia con la que se producen. A un conjunto de potenciales lo llamamos tren de potenciales. Cuando una neurona genera un potencial de acción, decimos que ha disparado.
Estos potenciales son muy rápidos y se producen en el orden de milisegundos. Son también unidireccionales, viajando siempre del soma al axón, gracias a la refractariedad de los canales, lo cual comentaremos más adelante.
Actores del potencial de acción
Ya conocemos la estructura de la neurona, pero ahora quiero introduciros a los canales y a las bombas. Ya hemos adelantado que la bomba Na/K y los canales pasivos de K son partícipes del potencial de reposo de una neurona.
Definimos como canal iónico a una proteina de la membrana que forma un poro que permite el paso de ciertos iones cuyo tamaño y cargas se ajusten a dicho poro. Pensad no solo en el tamaño del ión y el poro, sino en las cargas eléctricas del propio poro que repelen o atraen al ión. Los canales iónicos permiten el paso de iones de forma pasiva, sin gasto de energía por parte de la célula, pero siempre a favor de un gradiente electroquímico. En resumen, de donde hay más a donde hay menos.
Definimos como bomba a una proteína que es capaz de transportar sustancias en contra de dicho gradiente, eso sí, consumiendo energía celular. Nos interesa especialmente la bomba Na/K también llamada ATPasa 3Na/2K. Recordad también a los canales de K que están siempre abiertos, a los cuáles llamaremos, de fuga.
Finalmente, vamos a clasificar los canales en dos tipos. El primer tipo es un canal acoplado a un receptor, que puede abrirse o cerrarse en función de la unión de una molécula o ligando al receptor al que se acopla el canal. Con frecuencia canal y receptor son uno y lo mismo. A estos canales los llamaremos dependientes de ligando. Por el contrario, otros se abren o se cierran en función del voltaje relativo de la membrana donde se encuentran. A estos se les denomina dependientes de voltaje.
Cómo se produce potencial de acción
Por fin, después de tanta cháchara, vamos de lleno a la gran función de las neuronas. Comenzaremos con una simplificación, un modelo ideal en el que un único estímulo es capaz de excitar a una neurona y producir el potencial. Además, vamos a seguir esta gráfica a lo largo de la explicación. Quiero que olvidéis por un momento la noción popular de sinapsis.
Para obtener esta curva se pone un electrodo en un punto de la membrana conectado a un osciloscopio. En el eje de abscisas está representado el tiempo medido en milisegundos y en ordenadas, el voltaje de la célula. Por lo tanto, la gráfica representa cómo varía el voltaje EN UN PUNTO de la célula durante el periodo que se da desde que comienza el estímulo hasta que la célula vuelve al potencial de reposo. La línea etiquetada como umbral o threshold representa el mínimo voltaje necesario para que se desencadene un potencial de acción. La línea de base se sitúa en los -70mV, el potencial de reposo de una neurona ideal. Apreciad la curva ascendente o despolarización, el pico y la recuperación o repolarización. Hablaremos más adelante de esa pequeña hendidura o periodo refractario.
Vamos a suponer un estímulo imaginario, tal que es capaz de excitar lo suficientemente a la neurona como para producir un potencial. Esto es, va a ser capaz de elevar el potencial de la membrana, de despolarizarlo lo suficiente, como para llegar al umbral de -55 mV. Los estímulos provenientes de otras neuronas se captan en las dentritas, gracias a canales de Na dependientes de ligando. Estos canales de Na se abren, permitiendo que entre Na de forma pasiva al interior de la neurona y reduciendo la diferencia de potencial de ésta con el medio. Por ende, el potencial eléctrico sube desde -70 mV, en dirección a la neutralidad o 0.
Esta pequeña corriente de Na se transmite a lo largo de las dentritas hasta el soma, aunque decae exponencialmente con la distancia al punto del estímulo. Para nuestro caso ideal, la corriente de Na es suficiente para alcanzar un punto muy concreto de la neurona, el punto donde el soma se une al axón. En esta región existe una alta concentración de canales de Na dependientes de voltaje y que se abren cuando la despolarización alcanza el umbral.
La apertura de estos canales de Na despolariza aún más la membrana, haciendo a su vez que se activen aún más canales. Al aumentar al máximo la permeabilidad de la membrana al Na, llega un momento en el que el potencial se vuelve 0 e incluso se sobrecarga la membrana, llegando al pico de potencial, en unos +40 mV. Es el punto de mayor despolarización para una zona concreta de la membrana. Esta onda de Na se transmite a lo largo del axón, abriendo canales de Na y repitiéndose el círculo.
Y ahora, es el momento de la repolarización. El propio potencial eléctrico inactiva los canales de Na, que se cierran y se reduce la permeabilidad. Además, se abren canales de K dependientes de voltaje. Si recordais bien, el flujo hacia el exterior de K es capaz de cargar negativamente la membrana. Con los canales de Na cerrados, la bomba, siempre funcionando, expulsando Na y el K saliendo a raudales, la membrana recupera rápidamente el potencial de reposo.
Pero no se queda ahí. Si os fijáis, la membrana se vuelve incluso más negativa con respecto al medio. Se hiperpolariza. Es además el punto llamado por la gráfica periodo refractario. En este momento, no es posible transmitir otro potencial. Un poco más adelante lo explicaré más detalladamente. Esta hiperpolarización es transitoria y al final, tanto los canales de K se inactivan como la bomba Na/K restablece la concentración de ambos iones. Se vuelve así al potencial de reposo.
¿Fácil verdad? Sí, el fenómeno per sé no es complicado de entender. Pero hay algunas consideraciones o detalles que hay que tener en cuenta.
El todo o nada
Como habréis podido imaginar, el término todo o nada hace referencia a que para que se produzca un potencial de acción, la onda de Na inicial tiene que ser capaz de abrir los canales de Na voltaje dependientes del punto donde el soma y el axón se unen despolarizando la membrana hasta el voltaje umbral. Por eso, o se produce un potencial completo, o no hay transmisión.
La corriente de K
Ya os mencioné unos canales de K, llamados, de fuga. Estos canales, que no dependen del voltaje, estan siempre abiertos y en equilibrio con las fuerzas electromagnéticas que mantienen al potasio dentro. Esto quiere decir que, en el momento en el que entra el Na gracias a los canales de Na dependientes de ligando, se establece una lucha entre la corriente despolarizante del Na, los canales de K y la bomba Na/K. Es por ello que la corriente de Na tiende a decaer con el tiempo. Para que se produzca un potencial, la corriente inicial dependiente de ligando debe ser capaz de llegar al punto de unión soma-axón.
El periodo refractario
El periodo refractario es aquel en el que la neurona es incapaz de transmitir o generar nuevos potenciales. Esto se debe a que los canales no solo pueden abrirse o cerrarse, sino que además pueden inactivarse. La inactivación no consiste solo en el cierre del poro, sino en una imposibilidad para abrirse hasta pasado un tiempo. Los canales de Na dependientes de voltaje no se cierran, se inactivan. Es por ello que una vez el potencial pasa por una zona concreta de la membrana, ésta queda inservible para transmitir potenciales hasta pasado un tiempo. Gracias a este mecanismo los potenciales son unidireccionales. La onda de Na no puede "volver". Pasado un tiempo, los canales de voltaje pasan de inactivo a cerrado, pero capaz de abrirse de nuevo.
Vamos a distinguir dos fases en el periodo refractario: fase absoluta y fase relativa.
La fase absoluta coincide con la inactivación total de los canales de Na. En este momento, no importan las condiciones, NO PUEDE TRANSMITIRSE UN POTENCIAL. La fase relativa corresponde con la reactivación de los canales de Na, pero con la membrana aún hiperpolarizada. En estas circunstancias, es necesaria una corriente de Na dependiente de ligando aún mayor para contrarrestar la hiperpolarización. Los potenciales son posibles, pero más improbables.
Potencial de acción vs potencial de receptor
Un concepto que igual veis por algún libro. El potencial de acción está claro lo que es, pero hay quien llama a la primera onda de Na, a aquella dependiente de ligando, potencial de receptor. A diferencia de los potenciales de acción, la intensidad del estímulo sí condiciona mayor entrada de Na, por lo tanto estímulos más intensos aumentan la probabilidad de que un potencial de acción se desencadene.
Propagación del potencial de acción. Transmisión continua o saltatoria
Una vez tenemos nuestro potencial de acción en la unión soma-axón, este se propaga a lo largo del axón estimulando, en cada momento, canales de Na voltaje dependientes. Todo lo que os he explicado para el potencial de acción aplica a cada segmento del axón. Segmento a segmento, avanza el potencial.
Ahora bien, existen dos formas de transmitir un potencial. Empezaremos por la transmisión continua, que no es más que lo que veis en la imagen de arriba. Ocurre en axones sin mielina. Por regla general, la velocidad de transmision aumenta con el diámetro de la fibra o axón. Sin embargo, las máximas velocidades, de hasta 100 m/s, se consiguen con la vaina de mielina y la conducción saltatoria.
Ya os introduje a la mielina. Pues bien, la mielina es como un aislante eléctrico y aumenta mucho la resistencia eléctrica de ese punto de la membrana. Allí donde la vaina de mielina está presente, no puede transmitirse un potencial de acción ya que impide totalmente el paso de iones dentro o fuera de la membrana. ¿Parece contradictorio no?. No del todo. La vaina de mielina no es continua, sino que existen parches no mielinizados o nódulos de Ranvier.
Por tanto, tenemos grandes segmentos aislados separados por pequeños nodos que si permiten el paso de iones. En aquellos puntos donde la vaina de mielina cubre la membrana, los iones viajan por el citoplasma del axón, concentrados, sin difundir hacia el exterior de ninguna manera. En el nódulo, se restablece el potencial habitual. Gracias a este fenómeno aumenta muchísimo la velocidad de transmisión, concentrando y liberando los iones sólo de nódulo en nódulo.
Como podréis intuir, las fibras más rápidas son aquellas de mayor diámetro y mielinizadas. Y las más lentas, las más pequeñas y carentes de mielina. Esto da lugar a toda una clasificación de fibras, algunas tan famosas como las C. Conforme vayan saliendo os las iré explicando, pero eso otro día. Os dejo con un resumen:
Y con esto, terminamos lo más básico de la electrofisiología. Vamos ahora con uno de los grandes temas de la Neurociencia. La sinapsis.
Sinapsis. Concepto y tipos
Si has llegado hasta aquí, enhorabuena. Estás en disposición de entender uno de los conceptos clave de la neurociencia, la sinapis. Hasta ahora, para explicar el concepto de potencial, nos hemos servido de una célula ideal. Pero ahora vamos a ahondar en qué narices es el estímulo inicial.
¿Qué es una sinapsis? Una sinapsis es una estructura formada por dos neuronas, que permite transmitir un potencial de acción de una neurona a otra. Es un verdadero enlace entre células. La sinapsis es un puente en el que la información viaja de una neurona a otra. Llamaremos a la neurona transmisora, presináptica y a la receptora, postsináptica.
Sinapsis eléctrica
La sinapsis eléctrica es un tipo especial de sinapsis muy común entre vertebrados más simples, en el que la membrana de ambas células, pre y postsinápticas, están íntimamente unidas. Están unidas y conectadas a través de nexos, una especie de túneles iónicos por los que la onda de Na puede viajar de una célula excitable a, a otra, ya sean neuronas u otros tipos.
En vertebrados superiores como nosotros existen, pero no son el tipo mayoritario en el sistema nervioso así que no voy a explayarme más.
Sinapsis química
La sinapsis química es la sinapsis por excelencia en nuestro sistema nervioso. En este tipo de sinapsis, que además es unidireccional, la membrana de las terminales axónicas y de los contactos sinápticos están separadas por un espacio, el espacio o hendidura sináptica. Este espacio es de apenas 20-30 nanómetros. Existen puentes intercelulares entre ambos elementos, los llamados nanotúbulos, pero en este manual básico no vamos a cubrirlos.
Sí voy a explicaros como se produce la transmisión del potencial cuando hay un espacio entre los dos elementos implicados. Aquí es necesario recurrir a los famosos neurotransmisores. Un neurotransmisor no es más que una molécula señalizadora o ligando, que al liberarse en la terminal axónica es capaz de unirse a los receptores del contacto sináptico y:
A) Abrir canales de Na ligando-dependiente, produciendo un nuevo potencial de acción.
Abrir otros canales, por ejemplo, de cloro, produciendo una hiperpolarización -recordad que el cloro es un ión negativo- de la neurona y reduciendo la posibilidad de que esta segunda neurona pueda transmitir un potencial.
C) Modular la actividad de canales para controlar las condiciones en el que se abren.
Simplificando mucho, tenemos tres tipos de sinapsis química:
- Activadora, aquella que acerca el potencial de reposo al de disparo o threshold.
- Inhibidora, aquella que aleja el potencial de reposo del de disparo.
- Moduladoras, cambiando el patrón o la frecuencia de los potenciales.
Liberación de neurotransmisores
¿Y cómo pasamos de un potencial de acción en la terminal axónica a liberar neurotransmisores al espacio sináptico?
Pues muy fácil. Igual que existen canales de Na dependientes de voltaje, tenemos canales de calcio iónico o Ca 2+ dependientes de voltaje. Cuando la onda de Na llega a la terminal axónica, abre canales de Ca. El Ca es el gran regulador de la secreción en las células humanas. Vesículas cargadas de neurotransmisor que se encuentran listas en la terminal, pasan a fusionarse con la membrana de la neurona presináptica y liberan su contenido a la hendidura. ¿Cómo? Gracias al gradiente de Ca que entra.
Un resumen en forma de imagen:
Neurotransmisores activadores o inhibidores
No tiene sentido que os suelte aquí un listón. Así que iré comentando cada neurotransmisor conforme los vayamos necesitando. La acción del neurotransmisor es dependiente del receptor al que se une, así que podemos tener que el mismo neurotransmisor sea activador o inhibidor en una u otra neurona. Por regla general:
Son activadores la acetilcolina, la noradrenalina y el glutamato. Son inhibidores el GABA o la dopamina.
Concepto de fuerza de la sinapsis
Como habréis podido imaginar, no todas las sinapsis tienen la misma capacidad para activar o inhibir a la neurona postsináptica. A esta variabilidad la llamamos fuerza de sinapsis. Es la relevancia relativa del enlace con respecto al resto. La capacidad de las sinapsis para reforzarse o debilitarse es fundamental para la llamada plasticidad del sistema nervioso.
Lo veremos con más calma en otros temas, pero os adelanto que tiene mucho que ver con la densidad de receptores para un neurotransmisor o la modificación de la cadena de transducción.
La realidad del sistema nervioso, integración de potenciales
Hasta ahora os he simplificado, hasta el punto de casi mentiros, cómo se transmiten los potenciales de una neurona a otra. Existen casos en los que, en efecto, una única neurona es capaz de excitar y producir un potencial en otra, que se transmite desde las dentritas al soma y llega finalmente al axón, donde se liberan neurotransmisores que producirán, inhibirán o modularán a la siguiente.
En realidad, esto no siempre es así. En muchos casos, una única sinapsis no es capaz de activar a la siguiente neurona. Pero, una sola neurona puede estar conectada con muchas otras, a través de su extenso árbol dentrítico. Algunas son activadoras, otras inhibidoras y otras moduladoras. ¿Cómo se integra todo esto?
Pues bien, cada onda de Na, de Cl, cada sinapsis... todo se integra en el soma. Es en el soma donde el resultado de toda la información de cada sinapsis se une, donde se forma una única corriente. Si este potencial resultante es capaz de superar el umbral del punto donde el soma se une al axón, se inicia un potencial de acción.
Últimas palabras
Y se acabó. El tema es denso, es largo y os puede resultar pesado, pero constituye la base, simplificada, de todo lo que veremos posteriormente. He empezado con una imagen de Santiago Ramón y Cajal , premio Nobel de Medicina y uno de los más grandes investigadores de nuestro país. Os recomiendo encarecidamente leer alguna de sus obras.
Y termino con aquella famosa cita de Doug Rattmann -que me encanta- en el cómic de Portal. Seguro que ahora entendéis a qué se refería.
Reality is a story the mind tells itself. An artificial structure conjured into being by the calcium ion exchange of a million synaptic firings. A truth so strange it can only be lied into existence. And our minds can lie. Never doubt it...
