Funcionamiento de la Neurona

Introduccion• El Sistema Nervioso está compuesto por miles de millones de

neuronas. Las estimaciones actuales son de que el cerebro contiene unas 100 mil millones de neuronas (100.000.000.000 o 1011). En el cerebro humano, cada neurona se conecta con una media de 7.000 otras neuronas. En total, se calcula que para un adulto el numero de conecciones (sinapsis) esta entre 100 y 300 millones de millones (100.000.000.000.000 o 1014). En conclusión: un enorme poder de procesamiento.

• Las neuronas reaccionan ante estímulos (como el tacto, el sonido, la luz), y son capaces de conducir impulsos bioeléctricos y comunicarse unas con otras (así como con otras células como las de los músculos)

• Como discutiremos más adelante, el cerebro aprende modificando las conecciones entre unas neuronas y otras.

• El núcleo de la neurona está en el soma o cuerpo celular. Desde el cuerpo, se extienden las dendritas y axones. Estas prolongaciones conducen el impulso nervioso. Las dendritas lo llevan hacia el soma y los axones lo llevan desde el soma hacia otras neuronas.

• Las neuronas pueden responder a estímulos y conducir impulsos porque la membrana celular mantiene activamente un potencial de membrana. La célula mantiene una distribución desigual de iones (atomos con carga eléctrica) entre la parte interna y extena de la célula. La carga dentro de la célula es ligeramente negativa respecto del exterior de la misma.

• En ciertas condiciones, la membrana permite el flujo de iones, los que tienden a recuperar el equilibrio siguiendo las gradientes de concentracion y electrostaticas. La onda de depolarizacion que se propaga por la neurona, es lo que se conoce como impulso nervioso.

• Entonces, no se trata de un a corriente electrica tipica, pues no hay un flujo a lo largo del axón.

• Si ubicamos un electrodo dentro y otro fuera de la membrana, el voltímetro mide la diferencia en la distribución de iones. El potencial de membrana típico es de -70 mV (milivolts) (Hodgkin y Huxley, 1952).

• Los iones responsables del potencial de membrana son el sodio (Na+) y el potasio (K+). (Nota : Recuerden que un ion es un átomo que ha perdido o ganado electrones. Cuando un átomo gana un electrón, tiene carga negativa ; cuando pierde un electrón, tienen carga positiva.)

• La neurona transporta iones de sodio hacia fuera de la célula e iones de potasio hacia dentro. Este mecanismo se conoce como la Bomba de Sodio – Potasio. Como resultado, hay una concentración mayor de sodio fuera de la membrana y una mayor concentración de potasio dentro.

• Adicionalmente, la membrana celular contiene canales por donde los iones pueden pasar. Cuando la membran está en reposo (no está conduciendo un impulso), los canales de sodio están cerrados, pero algunos de los canales de potasio están abiertos. Como resultado, el potasio puede difundirse hacia fuera de la célula. Los iones de sodio, en cambio permanecen en su mayoría fuera de la neurona.

• Como resultado, cuando la membrana está en reposo, hay iones de potasio dentro, e iones de potasio y sodio afuera. La carga es más positiva fuera (Na+ además de K+) que dentro de la membrana (solamente K+). En términos relativos, el potencial de membrana es negativo.

• Este potencial de membrana se mantiene hasta que la membrana es estimulada. Si el estímulo es suficientemente fuerte, ocurre el potencial de acción o depolarización de la membrana.

• El potencial de acción es un cambio muy rápido que ocurre en el potencial de la membrana cuando esta es estimulada. El potencial va de su valor típico en reposo (aproximadamente -70 mV) a un valor positivo (típicamente unos +30 mV) en un lapso de unos pocos milisegundos.

• El estímulo causa que los canales de sodio se abran, pues estos son sensibles al voltaje. Y, como hay más sodio fuera que dentro de la neurona, el sodio se difunde rápidamente hacia el interior de la célula nerviosa. Todos estos iones de sodio que ingresan, hacen que el potencial de membrana se vuelva positivo (el interior de la membrana se vuelve positivo respecto del exterior). Luego, los canales de sodio se cierran.

• Luego de esto, los canales de potasio se abren. Dado que hay más iones de potasio dentro que fuera de la célula, estos iones se difunden hacia fuera. A medida que estos iones positivos salen, el interior de la membrana vueve a ser negativo respecto del exterior.

El potencial de accion es la depolarizacion de la membrana (el interior se hace mas positivo)

• El potencial de acción ocurre cuando la membrana es estimulada y se depolariza lo suficiente como para que los canales de sodio se abran completamente. Distintas neuronas son sensibles a distintos tipos de estimulación. Por ejemplo, algunas neuronas son sensibles a estimulación mecánica (audición, tacto), otras a estimulación química (olfato), otras a estimulación lumínica (visión). Entre unas neuronas y otras, la estimulación es química, por medio de los neurotransmisores.

• Cualquier estímulo bajo el umbral, causa que algunos canales de sodio se abran, pero el impulso nervioso no ocurrirá hasta que el estímulo sobrepase un cierto umbral.

• El nivel de estimulación mínimo necesario para producir un potencial de acción se conoce como umbral de estímulo. Cuando un estímulo alcanza el umbral (generalmente unos 5 a 15 mV menos negativo que el potencial de membrana), todos los canales de sodio se abren y ocurre la depolarización.

Depolarizacion

Fases del potencial de accion

Ley del todo o nada

• Entonces, el potencial de acción ocurre de acuerdo a la ley del todo o nada. No hay potenciales de acción medianos. Si se alcanza el umbral, ocurre el potencial de acción. Si no se alcanza, no ocurre el potencial.

• La única forma en que la neurona puede transmitir diferencias de intensidad, es por medio de la frecuencia de disparo. Frecuencias de disparo mayores indican mayor intensidad del estímulo. Frecuencias menores indican intensidades menores.

• Pero, el potencial de accion es un fenomeno local. Ocurre en un sector de la membrana. Como entonces se propaga para poder transmitir el impulso?

• El impulso nervioso es una onda de depolarización de la membrana de la neurona.

• Los potenciales de acción son un fenómeno localizado que afecta a una pequeña área de la membrana.

• Como resultado de esto, dos áreas adyacentes tendrán cargas opuestas (positiva en un sector y negativas en el siguiente).

• Esto producirá un minicircuito, en el que los iones fluirán entre las dos áreas, estimulando el área adyacente y causando su depolarización (recuerden que los canales de sodio son sensibles al voltaje).

• Así, se produce una onda de depolarización llamada impulso nervioso.

Velocidad del impulso

• La velocidad de conducción del impulso nervioso, va desde 1 a 120 metros por segundo. Esta velocidad es afectada por el diametro de la fibra, la temperatura, y la presencia o ausencia de mielina. 

• Las neuronas con mielina conducen el impulso nervioso con mayor velocidad que las que no tienen mielina (una capa de fosfolípidos con propiedades aislantes). De hecho, la desmielinización es generalmente producto de una enfermedad degenerativa del sistema nervioso (esclerosis múltiple, alcoholismo crónico, intoxicación por metales pesados como el plomo).

• En las neuronas periférica (motoras, por ejemplo) las células de Schwann proporcionan la mielina. En el SNC, la mielina es producida por los oligodendrocitos. Las neuronas mielinizadas tienen una apariencia blanquecina, de ahí que partes del cerebro tenga un blanco (la materia gris son los cuerpos celulares, y la blanca son las fibras mielinizadas).

¿Cómo la mielina afecta la velocidad de conduccion del impulso?

• Las células de Schwann se localizan a intervalos regulares en el axon (y en algunos casos también en las dendritas). Entre áreas de mielina hay áreas sin mielina llamadas Nódulos de Ranvier. Debido a que la mielina actúa como aislante, la membrana cubierta de mielina no conduce el impulso nervioso. Así, los potenciales de acción ocurren solamente en los nodos, saltándose las áreas de mielina. Esta conducción se denomina “saltatoria” y acelera la conducción hasta por un factor de 50.

• La falta de mielina produce una reducción en la velocidad del impulso, menor confiabilidad en la conducción, mayores probabilidades de que ocurran “cortocircuitos” en el cerebro.

Tipos de neuronas

• Neuronas multipolares: se llaman así porque tienen múltiples dendritas que se extienden desde el soma. Funcionalmente, estas neuronas son motoras (conducen impulsos que producen la contracción de los músculos) o de asociación (conducen impulsos que permiten la comunicación entre neuronas en el sistema nervioso central).

Tipos de neuronas

• Neuronas unipolares: Tienen una sola vía de conducción, pero esta se divide en varias dendritas y varios axones. Estas neuronas son sensoriales; conducen impulsos hacia el sistema nervioso.

Tipos de neuronas

• Neuronas bipolares: Tiene un axon y una dendrita. Estas neuronas también son sensoriales. Generalmente modulan la actividad de otras neuronas. Pueden ser encontradas, por ejemplo, en la retina.

Sinapsis• La sinapsis es el punto

donde el impulso es conducido entre neuronas. Los impulsos son conducidos desde la neurona presináptica hacia la neurona postsináptica.

• La sinapsis generalmente ocurre entre el axon de la neurona presináptica y una dendrita o el cuerpo de una neurona postsináptica. En la sinápsis, el final del axon se abulta, lo que se conoce como Botón Terminal.

Sinapsis• En el botón hay muchas

vesículas sinápticas (las que contienen los neurotransmisores) y mitocondrias (que contribuyen a la síntesis de más neurotransmisores). Entre el botón terminal y la dendrita de la neurona postsináptica, hay un espacio llamado el espacio intersináptico. En otras palabras, las neuronas no se tocan y el impulso nervioso no puede ser transmitido directamente. Lo que ocurre es que la neurona presináptica libera sus neurotransmisores al espacio intersináptico, y son estos los que estimulan a la neurona postsináptica para que se depolarice.

Sinapsis• Cuando el impulso llega al

botón terminal, la membrana de esa zona se hace más permeable al calcio. El calcio se difunde dentro de la célula y activa enzimas que causan que las vesículas sinápticas se desconecten del citoesqueleto, y se muevan hacia el espacio intersináptico. Algunas de estas vesículas se fusionan con la membrana y liberan los neurotransmisores. Estas sustancias químicas se difunden por el espacio intersinápico y encajan en los receptores de la membrana postsináptica (algo así como una llave y la cerradura que le corresponde).

Sinapsis• Cuando estos receptores están

ocupados, los canales de sodio de la membrana postsináptica se abren. Si hay suficiente neurotransmisor como para sobrepasar el umbral, ocurre un potencial de acción que se propaga por la neurona postsináptica. En otras palabras, el impulso es transmitido.

• El neurotransmisor que queda en el espacio intersináptico, puede ser reabsorbido por la neurona presináptica o postsináptica, o puede ser degradado por procesos enzimáticos.

• Lo que hemos descrito corresponde a un neutrotransmisor exitatorio. Sin embargo, no todos los neurotransmisores son exitatorios.

Tipos de neurotransmisores

• Exitatorios: neurotransmisores que hacen que el potencial de membrana sea menos negativo (aumentando la permeabilidad al sodio) y por lo tanto exitan o estimulan a la neurona postsináptica. Un ejemplo es la acetilcolina.

• Inhibitorios: neutrotransmisores que hacen el potencial de membrana más negativo (aumentando la permeabilidad de la membrana al potasio) y por lo tanto tienden a inhibir o hacer menos probable la transmisión de un impulso. Un ejemplo es el acido gamma aminobutírico (GABA).

Tipos de neurotransmisores• Se han identificado alrededor de 60 neurotransmisores en el

sistema nervioso.• La acetilcolina fue el primer neurotransmisor en ser

descubierto. Fue aislado en 1921 por in biólogo alemán llamado Otto Loewi, quien ganó posteriormente el premio Nobel por su trabajo. La acetilcolina tiene muchas funciones: es la responsable de mucha de la estimulación de los músculos, incluyendo los músculos del sistema gastro-intestinal. También se encuentra en neuronas sensoriales y en el sistema nervioso autónomo, y participa en la programación del sueño REM.

• El famoso veneno botulina funciona bloqueando la acetilcolina, causando parálisis. Existe un vínculo entre la acetilcolina y la enfermedad de Alzheimer: hay una pérdida de cerca de un 90 % de la acetilcolina en los cerebros de personas que sufren de esta enfermedad.

Tipos de neurotransmisores• En 1946, otro biólogo alemán cuyo nombre era von Euler,

descubrió la norepinefrina (tambien llamada noradrenalina). La norepinefrina esta fuertemente asociada con la puesta en alerta de nuestro sistema nervioso. Es prevalente en el sistema nervioso simpático, e incrementa la tasa cardiaca y la presión sanguínea. Nuestras glándulas adrenales la liberan en el torrente sanguíneo, junto con la epinefrina. Es también importante para la formación de memorias.

• El estrés tiende a agotar nuestro almacén de adrenalina, mientras que el ejercicio tiende a incrementarlo. Las anfetaminas funcionan causando la liberación de norepinefrina.

Tipos de neurotransmisores

• Otro familiar de la norepinefrina y la epinefrina es la dopamina . Es un neurotransmisor generalmente inhibitorio. La dopamina esta fuertemente asociada con los mecanismos de recompensa en el cerebro. Las drogas como la cocaína, el opio, la heroína, y el alcohol promueven la liberación de dopamina, al igual que la nicotina.

• Se ha demostrado que en la esquizofrenia existen cantidades excesivas de dopamina en los lóbulos frontales, y las drogas que bloquean la dopamina son usadas para ayudar a los esquizofrénicos. Por otro lado, poca dopamina en las áreas motoras del cerebro es responsable de la enfermedad de Parkinson, la cual implica temblores corporales incontrolables.

Tipos de neurotransmisores• En 1950, Roberts y Awapara descubrieron el GABA (ácido

gamma aminobutírico), otro tipo de neurotransmisor inhibitorio. El GABA actúa como un freno del los neurotransmisores excitatorios que llevan a la ansiedad. La gente con poco GABA tiende a sufrir de trastornos de la ansiedad, y los medicamentos como el Valium funcionan aumentando los efectos del GABA. Si el GABA está ausente en algunas partes del cerebro, se produce la epilepsia.

Tipos de neurotransmisores

• El glutamato es un pariente excitatorio del GABA. Es el neurotransmisor más común en el sistema nervioso central, y es especialmente importante en relación con la memoria. Curiosamente, el glutamato es realmente tóxico para las neuronas, y un exceso las mataría. Algunas veces el daño cerebral o un golpe pueden llevar a un exceso de glutamato y terminar con muchas más células cerebrales muriendo que el propio trauma. La enfermedad de Lou Gehrig es provocada por una producción excesiva de glutamato.

Tipos de neurotransmisores• Se ha encontrado que la serotonina está íntimamente relacionada

con la emoción y el estado de ánimo. Muy poca serotonina lleva a la depresión, problemas con el control de la ira, el desorden obsesivo-compulsivo, y el suicidio. Su falta también lleva a un incremento del apetito por los carbohidratos (comidas rica en almidón) y problemas con el sueño, lo cual también esta asociado con la depresión y otros problemas emocionales.

• El Prozac (un antidepresivo) ayuda a la gente con depresión previniendo que las neuronas reabsorba el exceso de serotonina, por lo que hay más flotando en las sinapsis. Es interesante que un poco de leche caliente antes de acostarse también incrementa los niveles de serotonina. La serotonina es un derivado del triptófano, que se encuentra en la leche y otros alimentos.

• Por otra parte, la serotonina también juega un papel en la percepción. Los alucinógenos como el LSD funcionan adhiriéndose a los receptores de serotonina en las vías perceptuales.

Tipos de neurotransmisores

• En 1973, Solomon Snyder y Candace Pert del Instituto John Hopkins descubrieron la endorfina. La endorfina es el nombre corto de “morfina endógena”. Es estructuralmente muy similar a los opioides (opio, morfina, heroína, etc.) y tiene funciones similares: esta implicada en la reducción del dolor y aumento del placer, y las drogas opiaceas funcionan adhiriéndose a los receptores de endorfinas. Es también el neurotransmisor que ayuda a los osos y otros animales a hibernar, pues enlentece la tasa cardiaca, la respiración, y el metabolismo en general. Esa es la forma como una sobredosis de opioide puede matar.

Las neuronas son integradoras de informacion

• Desde el punto de vista de procesamiento de información, las neuronas integran información. Toman las señales de otras neuronas y las conducen. Hay dos formas en que las neuronas integran información.

• Sumación temporal: es la transmisión de un impulso por la sumación de la actividad de varias neuronas que se activan rápidamente una después de otra, o de la actividad repetida de una sola neurona presináptica.

• Sumación espacial: es la transmisión de un impulso por la activación simultánea o casi simultánea de dos o más neuronas presinápticas.

La Regla de Hebb

• Se piensa que el aprendizaje y la memoria se basan en procesos de modificacion en la confiabilidad de la transmision sinaptica.

• Cuando la sinapsis se modifica para transmitir el impulso con mayor confiabilidad, se denomina Potenciacion de Largo Plazo.

• Cuando la sinapsis se modifica para reducir la confiabilidad con que se transmite el impulso, se denomina Depresion de Largo Plazo.

La Regla de Hebb

• Donald Hebb (un neuropsicologo canadiense), hipotetizo que la sinapsis se fortalecia cuando las neuronas pre y postsinapticas “disparaban” al mismo tiempo. Cuando una dispara y lo otra no, la sinapsis se debilitaria.

• En estudios in vivo y con cultivos de neuronas, se ha encontrado que este tipo de aprendizaje ocurre en las neuronas. Se llama a esto “aprendizaje Hebbiano”.

• Organizadas para integrar información (abstraer), pueden producir fenómenos como en el ejemplo del perro dálmata.