Fisiología de la Neurona y Células Gliales

Fisiología de la Neurona

• El sistema nervioso está compuesto por una red de células especializadas como neuronas y células de la glía.
• Ambos tipos celulares se originan de células neuroepiteliales, compartiendo características estructurales y moleculares, pero con funciones diferentes.

Estructura y tipos celulares del sistema nervioso

• Las neuronas son la unidad funcional del sistema nervioso, generan, modulan y transmiten información mediante señales eléctricas llamadas potenciales de acción.
• Las células de la glía dan soporte estructural y metabólico a las neuronas, mantienen el microentorno iónico y químico para la transmisión de impulsos nerviosos.

Morfología neuronal

• Las neuronas presentan asimetría funcional y estructural, con un cuerpo celular o soma que contiene el núcleo y orgánulos.
• Las neuritas son proyecciones alargadas clasificadas como dendritas (cortas y ramificadas para recibir señales) y axón (prolongación única para enviar señales).
• Existen cientos de tipos de neuronas con variaciones morfológicas, funcionales y moleculares, cada subtipo expresa un conjunto específico de genes.

El Conectoma

• Es el mapa completo de las conexiones neuronales en el sistema nervioso.
• Representa cómo las neuronas se comunican, formando redes para las funciones cerebrales.
• El "Human Connectome Project" (HCP) en EE. UU. y el "European Human Brain Project" mapean detalladamente el cerebro humano.

Técnicas avanzadas para construir un conectoma

• Resonancia Magnética Funcional (fMRI): Mide la actividad cerebral registrando cambios en el flujo sanguíneo.
• Tensor de Difusión (DTI): Visualiza la trayectoria de axones y haces de fibras que conectan regiones cerebrales.
• Electrofisiología: Registros eléctricos (EEG, MEG) que muestran la actividad sincronizada de áreas cerebrales.
• Microscopía electrónica: Permite ver en detalle las sinapsis y la ultraestructura neuronal.

Aplicaciones del Conectoma

• Neurocirugía: Facilita la planificación quirúrgica y evita daños a zonas críticas.
• Neurología y psiquiatría: Ayuda a comprender enfermedades como el Alzheimer, la esquizofrenia y la depresión.

Transmisión de la información en el sistema nervioso

• La comunicación se basa en señales eléctricas y químicas combinadas.
• La diferencia de potencial eléctrico (ddp) a través de la membrana celular permite la generación y propagación de los potenciales de acción.
• Las señales eléctricas viajan por el axón hasta las sinapsis, donde se liberan neurotransmisores que modulan la actividad de otras células.

Fundamentos eléctricos de la señalización neuronal

• La carga eléctrica es una propiedad fundamental de la materia.
• La distribución desigual de cargas eléctricas origina una diferencia de potencial eléctrico (ddp) o voltaje.
• En ausencia de barreras, las cargas tienden a equilibrarse, pero la membrana plasmática celular actúa como aislante, conservando la ddp.

Potencial de membrana

• Se detecta una diferencia de potencial eléctrico al insertar electrodos dentro y fuera de una célula viva.
• En neuronas en reposo, el potencial es negativo (más cargas negativas en el interior).
• Las neuronas se comunican mediante cambios en este potencial: despolarización (se vuelve más positivo) e hiperpolarización (se vuelve más negativo).

Potencial de membrana en reposo (potencial de equilibrio)

• El entorno neuronal presenta iones como sodio (Na+), potasio (K+), cloruro (Cl-) y aniones orgánicos.
• El interior celular tiene altas concentraciones de K+ y aniones orgánicos, mientras que el exterior tiene altas concentraciones de Na+ y Cl-.
• Esta distribución desigual de iones genera gradientes de concentración a través de la membrana.
• En ausencia de actividad, el potencial se mantiene entre -60 y -70 mV, denominándose potencial de membrana en reposo.

Permeabilidad iónica y canales iónicos

• La membrana celular no permite el paso directo de iones cargados.
• Los iones atraviesan la membrana mediante canales iónicos, proteínas especializadas que forman un túnel hidrofílico.
• Existen canales pasivos (siempre abiertos) y canales activos (se abren y cierran en respuesta a estímulos).
• Los canales activos pueden ser dependientes de ligando (se unen a un ligando) o dependientes de voltaje (cambian con el potencial de membrana).

Origen del potencial de reposo

• El potencial de membrana en reposo depende del movimiento de K+ a través de canales de potasio.
  • La concentración de K+ es mayor dentro de la célula.
  • Si se abren canales pasivos de K+, este ion sale de la célula.
  • La pérdida de cargas positivas internas crea una diferencia de potencial eléctrico (ddp).
  • Se alcanza un equilibrio electroquímico donde la fuerza eléctrica equilibra la fuerza química.

Factores que influyen en el potencial de membrana

• Las concentraciones iónicas intra- y extracelulares.
• La permeabilidad relativa de la membrana a cada ion.
• Los iones que no pueden atravesar la membrana influyen en la distribución y movimiento de los que sí pueden.

Ecuación de Goldman

• Permite calcular el valor del potencial de membrana considerando concentraciones y permeabilidades relativas de la membrana a diferentes iones (Na+, K+ y Cl-).
• En condiciones de reposo, la permeabilidad de la membrana al Na+ es baja, pero el potencial de membrana está más próximo al potencial de equilibrio del K+.

Mantenimiento del potencial de reposo: la bomba de Na+-K+

• Los gradientes de sodio y potasio se mantienen gracias a la bomba de Na+-K+, un sistema de transporte activo que consume ATP.
• La bomba expulsa 3 iones Na+ al exterior e introduce 2 iones K+ al interior.
• La relación 3 Na+ expulsados / 2 K+ ingresados contribuye a que el interior de la célula se mantenga más negativo.

Cambios en el potencial de membrana: Potenciales locales (o graduados) y potenciales de acción

• Despolarización: El potencial de membrana se vuelve menos negativo.
• Hiperpolarización: El potencial de membrana se vuelve más negativo.

Potenciales post-sinápticos: Potencial local (graduado o decreciente)

• Un potencial post-sináptico local o graduado es un cambio local de voltaje en la membrana de la neurona postsináptica.
  • PEPS (Potenciales Excitatorios Postsinápticos): Pequeñas despolarizaciones que acercan el potencial al umbral. Facilitan la generación de un potencial de acción.
  • PIPS (Potenciales Inhibitorios Postsinápticos): Hiperpolarizaciones que alejan a la neurona del umbral de disparo. Inhiben la posibilidad de que se genere un potencial de acción.

Características de los potenciales post-sinápticos

• Origen del estímulo: Puede deberse a la acción de un neurotransmisor o a un estímulo físico que modifica la permeabilidad iónica.
• Conducción pasiva y decreciente: Se propagan perdiendo intensidad con la distancia (conducción electrotónica).
• Gradación del potencial local: Su amplitud varía en función de la intensidad del estímulo.
• Umbral y desencadenamiento del potencial de acción: Al alcanzar el potencial umbral, se activan los canales de sodio dependientes de voltaje.
• Generación del potencial de acción: Un potencial local despolarizador que alcanza o supera el umbral desencadena un potencial de acción.

Potencial de acción

• Es el principal medio por el cual las neuronas comunican información a distancia.
• Se caracteriza por ser un cambio rápido y transitorio en el potencial de membrana, sin pérdida de intensidad.
• Evento "todo o nada": Al alcanzar el umbral de despolarización, el potencial de acción se propaga por toda la membrana sin disminuir su amplitud.
• Conducción sin decremento: Viaja a lo largo del axón conservando su intensidad.
• Restitución del gradiente iónico: La bomba Na+/K+-ATPasa restablece la distribución original de iones tras el potencial de acción.
• Umbral de excitación: Diferencia de potencial que debe alcanzarse para iniciar el potencial de acción (aprox. -50 a -55 mV).
• Tipos de estímulos: Subumbrales (no alcanzan el umbral), Umbrales (desencadenan el potencial de acción), Supraumbrales (superan el umbral).
• Ley del todo o nada: Si se alcanza o supera el umbral, el potencial de acción se genera por completo.
• Periodo refractario: Tras un potencial de acción, la neurona requiere un intervalo en el que no puede generar otro potencial.

Fases del potencial de acción

• Hipopolarización (fase previa): Pequeña disminución de la negatividad de la membrana.
• Despolarización: Los canales de Na+ dependientes de voltaje se abren, permitiendo la entrada masiva de Na+.
• Sobreexcitación (pico del potencial de acción): El potencial puede llegar a unos +40 mV.
• Repolarización: Los canales de Na+ se cierran y se abren los de K+. El K+ sale de la célula.
• Hiperpolarización: La permeabilidad al K+ permanece elevada transitoriamente.
• Retorno al reposo: El potencial recupera el valor de ~ -70 mV.

Fundamentos iónicos del potencial de acción

• Canales iónicos dependientes de voltaje: Se activan al alcanzarse el umbral de descarga.
• Dinámica del Na+: Los canales de Nat se abren con rapidez y se inactivan en torno a 1 ms.
• Dinámica del K+: Los canales de K+ dependientes de voltaje se abren más lentamente.
• Bomba Na+/K+: Usa ATP para expulsar Na+ y entrar K+, manteniendo a largo plazo el potencial de reposo.

Ciclo iónico del potencial de acción

• Un estímulo adecuado despolariza la membrana hasta el umbral.
• Se abren canales de Na+, permitiendo la entrada masiva de Na+.
• La despolarización máxima provoca el cierre de canales de Nat y la apertura de canales de K+.
• La salida de K+ restaura la negatividad interna, llegando incluso a una hiperpolarización temporal.
• Con el cierre de los canales de K+ y la acción de la bomba Na+/K+, la membrana vuelve a su potencial de reposo habitual.

Períodos refractarios

• Absoluto: Ningún estímulo puede provocar un nuevo potencial de acción.
• Relativo: Un estímulo de intensidad superior al umbral puede producir un nuevo potencial de acción.

Codificación de la información

• La amplitud del potencial de acción no varía con la intensidad del estímulo, pero la frecuencia de disparo sí.
• A mayor intensidad del estímulo, la neurona reduce el intervalo entre potenciales de acción, aumentando su frecuencia de disparo.

Conducción del potencial de acción

• En condiciones fisiológicas, el potencial de acción se propaga desde el cono axónico hacia los terminales sinápticos (dirección ortodrómica).
  • En fibras amielínicas: El potencial se propaga de forma continua a lo largo de la membrana.
  • En fibras mielínicas: La mielina rodea el axón en segmentos separados por los nodos de Ranvier.

Ventajas de la conducción saltatoria

• Mayor velocidad de conducción.
• Menor consumo energético.

Factores que afectan la velocidad de conducción

• Diámetro de la fibra nerviosa: Cuanto mayor es el diámetro del axón, mayor es la velocidad de conducción.
• Mielinización: La presencia de mielina aumenta significativamente la velocidad de conducción.
• Temperatura: La velocidad aumenta con temperaturas más altas y disminuye con temperaturas más bajas.

Canales iónicos y técnica de patch clamp

• Dependientes de voltaje: Se abren y cierran en respuesta a cambios en el potencial de membrana.
• Sensibles a neurotransmisores: Se activan cuando un neurotransmisor específico se une a su receptor en el canal.
• Estructura de los canales iónicos: Proteínas integrales de membrana con un poro central lleno de agua.
• Canales de sodio (Na+): Formados por una glicoproteína con cuatro dominios transmembrana que rodean un poro acuoso.
• Canales de potasio (K+): Existen diferentes tipos de canales de K+ dependientes de voltaje.