Principios y Técnicas de Neuroanatomía Estructural y Funcional PDF

PRINCIPIOS Y TÉCNICAS DE NEUROANATOMÍA ESTRUCTURAL Y FUNCIONAL Germán Vega-Flores Principios y técnicas de neuroanatomía estructural y funcional Germán Vega-Flores Este material es de uso exclusivo para los alumnos de la Universidad Internacional de Valencia. No está permitida la reproducción to...

PRINCIPIOS Y TÉCNICAS DE NEUROANATOMÍA ESTRUCTURAL Y FUNCIONAL Germán Vega-Flores Principios y técnicas de neuroanatomía estructural y funcional Germán Vega-Flores Este material es de uso exclusivo para los alumnos de la Universidad Internacional de Valencia. No está permitida la reproducción total o parcial de su contenido ni su tratamiento por cualquier método por aquellas personas que no acrediten su relación con la Universidad Internacional de Valencia, sin autorización expresa de la misma. Edita Universidad Internacional de Valencia Leyendas Enlace de interés Ejemplo Técnica Importante Los términos resaltados a lo largo del contenido en color naranja se recogen en el apartado GLOSARIO. Índice CAPÍTULO 1. PRIMEROS PASOS EN EL DESARROLLO DE LA NEUROANATOMÍA.................................. 7 1.1. Historia................................................................................................. 7 1.1.1. Primeras técnicas................................................................................ 8 1.1.2. Surgimiento de la neuroanatomía................................................................. 9 1.1.3. Técnicas: Preparación del tejido para análisis macro- o microscópico............................. 9 1.2. Células del sistema nervioso.............................................................................. 10 1.2.1. Estructura de la neurona.......................................................................... 11 1.2.2. Tipos de neuronas................................................................................ 13 1.2.3. Características y tipos de glía..................................................................... 14 1.2.4. Técnicas: Observación microscópica............................................................. 15 CAPÍTULO 2. PROCESAMIENTO Y COMUNICACIÓN NEURONAL................................................. 19 2.1. Potencial de membrana en reposo...................................................................... 19 2.1.1. Polarización..................................................................................... 20 2.1.2. Despolarización.................................................................................. 20 2.1.3. Hiperpolarización................................................................................. 20 2.1.4. Umbral de excitación............................................................................. 20 2.2. Potencial de acción..................................................................................... 20 2.3. Sinapsis................................................................................................. 24 2.3.1. Estructura de la sinapsis.......................................................................... 24 2.3.2. Mecanismo de la sinapsis......................................................................... 24 2.3.3. Receptores....................................................................................... 27 2.3.4. Potenciales postsinápticos....................................................................... 27 2.4. Métodos funcionales: Técnicas electromagnéticas...................................................... 28 2.4.1. Electroencefalografía (EEG)...................................................................... 28 2.4.2. Potenciales evocados (PE)....................................................................... 32 2.4.3. Magnetoencefalografía (MEG).................................................................... 34 CAPÍTULO 3. NEUROBIOLOGÍA DE LOS SISTEMAS DE NEUROTRANSMISIÓN.................................... 36 3.1. Mensajeros químicos................................................................................... 36 3.2. Tipos de neurotransmisores y neuromoduladores........................................................ 38 3.2.1. Acetilcolina (ACh)................................................................................ 38 3.2.2. Monoaminas o aminas biogénicas................................................................ 39 3.2.3. Aminoácidos..................................................................................... 45 4 Principios y técnicas de neuroanatomía estructural y funcional 3.2.4. Péptidos......................................................................................... 46 3.2.5. Lípidos........................................................................................... 47 3.2.6. Nucleósidos...................................................................................... 47 3.2.7. Gases solubles................................................................................... 47 CAPÍTULO 4. ESTRUCTURA GENERAL DEL SISTEMA NERVIOSO: ORGANIZACIÓN ANATÓMICA Y FUNCIONAL.. 48 4.1. Referencias espaciales.................................................................................. 48 4.2. Cortes y planos del encéfalo............................................................................ 49 4.3. División anatómica del sistema nervioso................................................................. 50 4.3.1. Divisiones principales del SN central y periférico.................................................. 51 4.3.2. Divisiones principales del sistema nervioso periférico............................................. 55 4.5. Sistemas de protección y mantenimiento del sistema nervioso central................................... 56 4.5.1. Meninges........................................................................................ 56 4.5.2. Sistema ventricular............................................................................... 57 4.5.3. Barrera hematoencefálica........................................................................ 59 CAPÍTULO 5. ANATOMÍA ESTRUCTURAL Y FUNCIONAL DEL SISTEMA NERVIOSO CENTRAL..................... 60 5.1. Prosencéfalo............................................................................................ 62 5.1.1. Telencéfalo....................................................................................... 62 5.1.2. Diencéfalo....................................................................................... 70 5.2. Mesencéfalo............................................................................................ 74 5.3. Rombencéfalo.......................................................................................... 77 5.3.1. Metencéfalo...................................................................................... 77 5.3.2. Mielencéfalo..................................................................................... 79 5.4. Médula espinal.......................................................................................... 79 5.5. Técnicas de análisis in vivo.............................................................................. 83 5.5.1. Tomografía computarizada (TC).................................................................. 83 5.5.2. Resonancia magnética (RM)...................................................................... 85 5.6. Métodos funcionales: Técnicas metabólicas............................................................. 91 5.6.1. Tomografía por emisión de positrones (PET)...................................................... 92 5.6.2. Tomografía computarizada por emisión de fotón único (SPECT)................................... 93 5.6.3. Resonancia magnética funcional (RMf)........................................................... 95 5.6.4. Espectroscopia funcional por infrarrojo cercano cerebral (fNIRS)................................. 97 5.7. Técnicas de inactivación y estimulación cerebral........................................................ 97 5.7.1. Estimulación cerebral............................................................................. 97 5.7.2. Anestesia cerebral hemisférica selectiva.......................................................... 100 5 Índice CAPÍTULO 6. ANATOMÍA ESTRUCTURAL Y FUNCIONAL DEL SISTEMA NERVIOSO PERIFÉRICO................. 101 6.1. Sistema nervioso somático.............................................................................. 101 6.1.1. Nervios espinales................................................................................. 101 6.1.2. Pares craneales.................................................................................. 102 6.2. Sistema nervioso autónomo (SNA)...................................................................... 107 6.2.1. Sistema nervioso simpático....................................................................... 109 6.2.2. Sistema nervioso parasimpático.................................................................. 109 6.3. Métodos instrumentales................................................................................. 109 6.3.1. Técnicas sensoriales............................................................................. 109 6.3.2. Técnicas motoras................................................................................ 113 GLOSARIO........................................................................................................ 115 ENLACES DE INTERÉS............................................................................................ 126 BIBLIOGRAFÍA.................................................................................................... 127 6  Capítulo 1 Primeros pasos en el desarrollo de la neuroanatomía 1.1. Historia El estudio del cerebro y del sistema nervioso (SN) siempre ha despertado el interés de pensadores y cien- tíficos de todas las épocas. El cerebro es ese componente del cuerpo que se encuentra encapsulado en el cráneo, flotando en líquido y que únicamente entiende el lenguaje neuronal y determina o regula nuestra interacción con el exterior. El desarrollo del conocimiento acerca del cerebro y de todo el SN va de la mano con el desarrollo de las técnicas de exploración, fruto del desarrollo tecnológico. En este texto se plantea un recorrido por la neuroanatomía estructural y funcional considerando siempre las técnicas que hacen posible conocer cada vez más el SN. Empezaremos con un poco de historia para después centrarnos en aspectos celulares y moleculares que son necesarios para entender los principios generales del funcionamiento cerebral. Posteriormente, descri- biremos aspectos macroscópicos del SN; comenzando por el cerebro, seguiremos por la médula espinal y terminaremos hablando de los principales nervios del cuerpo que comunican el resto del organismo y el ambiente externo con el cerebro. Durante este recorrido, se irán presentando las técnicas de exploración neurológica que implican a los conceptos neuroanatómicos que se vayan revisando. Nuestro recorrido comienza en la Antigüedad, cuando el desarrollo tecnológico especializado para el estudio del cerebro se limitaba a la disección, la filosofía y la conjetura. En esta época, ilustrados como Hipó- crates (460-370 a. C.) describían el cerebro como la sede de la experiencia y la inteligencia. 7 Capítulo 1. Primeros pasos en el desarrollo de la neuroanatomía Otros, como Galeno de Pérgamo (129-201 d. C.), quien estableció la idea del spiritus animalis, entendían que el cerebro participaba de manera decisiva en la vida humana. Ya en 1543, el anatomista Andrés Vesalio (1514-1564) publicó su obra sobre anatomía humana De humani corporis fabrica, con ilustraciones detalladas del cerebro. Sin embargo, fue el médico inglés Thomas Willis (1621-1675) quien, por primera vez, en su obra Cerebri anatome de 1664, vinculó ciertas áreas cerebrales con diversas funciones cognitivas. Las descripciones de Willis se basaban en estudios anatómicos detallados de autores como Leonardo da Vinci (1452-1519) o Andrés Vesalio. Willis aceptó la idea de un SN mecánico, propuesta formulada por el filó- sofo René Descartes (1596-1650), quien describía el cerebro, al igual que el corazón, como una máquina compleja que controla las funciones reflejas y vegetativas. Tuvo que pasar mucho tiempo antes de atribuir diferentes funciones a las distintas áreas del cerebro. El médico y anatomista Franz Joseph Gall (1758-1828) instauró a principios del siglo xix la frenología, doctrina que relacionaba las capacidades mentales, como el talento y la personalidad, con el tamaño de una región cerebral y, en consecuencia, la curvatura del cráneo sobre el lugar correspondiente. En ese mismo siglo, Paul Broca (1824-1880) y Carl Wernicke (1848-1905) descubrieron los centros cerebrales del habla. Estamos en los años en los que la exploración macroscópica del encéfalo y sus lesiones son las principales aproxima- ciones al estudio del funcionamiento del SN. 1.1.1. Primeras técnicas Observación macroscópica La observación externa del cerebro fue la primera técnica de investigación que proporcionó información general con respecto a la existencia de partes bien diferenciadas del SN. El examen visual del cerebro permitió establecer las bases de su estudio formal mediante observación y cuantificación. Estas técnicas fueron las primeras y, aún hoy, representan una fuente importante de información para la neuroanatomía comparada y el estudio de las rela- ciones entre la anatomía macroscópica y la conducta de las distintas especies (Redolar, 2013). La observación de las características macroscópicas del SN es un procedimiento donde el encéfalo es extraído del cráneo y fijado gracias a sustancias químicas (fijadores) utilizadas para preparar y conservar el tejido. Este proceso permite llevar a cabo estudios de las partes externas e internas del cerebro para detectar asimetrías, malformaciones o lesiones, angiomas, tumores o atrofias de tamaño perceptible para el ojo humano. Métodos lesionales Estos métodos tienen su origen en humanos con los casos que se encontraban de forma espontánea o como resultado de accidentes o combates. Si bien al inicio se trataba de técnicas de observación rudimentarias, hoy día son técnicas mucho más refinadas y suponen una fuente importante de información que, en modelos expe- rimentales con animales, con técnicas como la ablación experimental o la lesión electrolítica, se extrae infor- mación útil para entender los efectos de las lesiones cerebrales en humanos como consecuencia de un daño cerebral o de enfermedades. Actualmente también existen tratamientos en humanos basados en lesiones cerebrales que, aplicando la tecno- logía más avanzada, consiguen localizar y lesionar partes muy precisas del cerebro para atender algunos tras- tornos del movimiento, incluso sin cirugía, ya que la lesión puede realizarse mediante ultrasonido (Meng et al., 2021). 8 Principios y técnicas de neuroanatomía estructural y funcional 1.1.2. Surgimiento de la neuroanatomía Gracias a la acumulación del conocimiento proveniente, entre otras fuentes, de la observación microscópica y las lesiones, surgió la neuroanatomía, la ciencia que estudia la estructura del SN para conocer el modo en que las regiones cerebrales están interconectadas y trabajan en conjunto. Hablaremos más adelante de las características macroscópicas del cerebro, porque primero es necesario que describamos aspectos celu- lares esenciales para entender mecanismos básicos del funcionamiento del SN. Ante la necesidad de encontrar las bases estructurales de las funciones cognitivas, aparecieron los estudios mediante técnicas de análisis microscópico. Esto se facilitó debido a que varias de las técnicas de fijación del tejido previamente desarrolladas ya habían sido utilizadas como base para las técnicas macroscópicas. Los estudios microscópicos significaron un avance muy importante de las neurociencias, ya que desarrollaron métodos e instrumentos ópticos que permitirían, con el paso de los años, describir la estructura microscópica del tejido nervioso. De este modo, podríamos definir las técnicas de micros- copía como los procedimientos que proporcionan información de la composición arquitectónica del tejido, lo que nos permite describir las características morfológicas de diferentes células nerviosas, las conexiones que llevan a cabo para comunicarse entre sí, además de su naturaleza química y molecular. Si miráramos tejido del cerebro sin teñir con el microscopio, casi no podríamos distinguir nada. Camillo Golgi (1843-1926) desarrolló una técnica de tinción de tejido nervioso basada en una solución de nitrato de plata que consiguió que algunas neuronas quedaran teñidas, facilitando enormemente su estudio, pues gracias a esta técnica fue posible visualizar la totalidad de una neurona, lo que facilitó el desarrollo de la histología. En este contexto, el científico español Santiago Ramón y Cajal (1852-1934) utilizó la tinción de Golgi para estudiar los circuitos de diversas regiones cerebrales. Camilo Golgi y Santiago Ramón y Cajal compartieron el Premio Nobel en 1906. Sin embargo, Golgi y Cajal tenían interpretaciones diferentes sobre la estructura del tejido nervioso. Por un lado, Golgi era defensor de la teoría reticular, la cual proponía que el SN estaba conformado por una red de células fusionadas a través de los axones. Por el contrario, la doctrina neuronal o teoría de la neurona, defendida por Cajal, sostenía que las neuronas eran células independientes: “El sistema nervioso está constituido por células separadas, unidades diferenciales, que se comunican entre sí a través de las sinapsis”. Hoy sabemos que Cajal tenía razón y que la neurona representa la unidad funcional del SN, donde ninguna neurona está en contacto con otra: siempre las separa un pequeño espacio, que estudia- remos más adelante, llamado hendidura sináptica. Esta separación es indispensable para que la comunicación entre neuronas pueda tener lugar. 1.1.3. Técnicas: Preparación del tejido para análisis macro- o microscópico El objetivo de estas técnicas es estudiar las lesiones y el tejido (macro- o microscópicamente), tal y como era antes de la muerte del individuo. Esto lleva a un tratamiento y procedimiento de perfusión, fija- ción, sección, tinción y examinación del encéfalo. Por consiguiente, si queremos mantener el tejido lo más semejante a su estado pre mortem, se debe, en primer lugar, destruir las enzimas autolíticas; de lo contrario, convertirán el tejido en una masa deforme. >>> 9  Capítulo 1. Primeros pasos en el desarrollo de la neuroanatomía >>> También es necesario evitar que se descomponga por la acción de bacterias o mohos. Por esta razón, se lleva a cabo un proceso de fijación del tejido. El más frecuente utiliza la formalina. Este fijador tisular detiene la autólisis, es decir, la autodisolución del tejido, y lo endurece, ya que el tejido nervioso en fresco es extremadamente blando y carece de la rigidez necesaria para poder ser manipulado sin deteriorar las estructuras. Además, el fijador también elimina cualquier microorganismo que pudiera dañar el tejido. El líquido fijador generalmente se perfunde antes de extraer el tejido nervioso. La perfusión del tejido es un proceso que consiste en extraer la sangre y sustituirla por otro líquido, mediante la aplicación de la anatomía y la química. Es posible usar el sistema circulatorio para lograr que el líquido fijador llegue a todos los rincones del cerebro antes de extraerlo y procesarlo. Enlace de interés ¿Cuál es el aspecto y la consistencia del encéfalo antes de usar fijadores como la formalina? En el siguiente vídeo podrás ver un cerebro humano recién extraído. ¡Cuidado! Hay un poco de sangre de por medio. YouTube te solicita que inicies sesión antes de ver el contenido para comprobar que eres mayor de edad. https://www.youtube.com/watch?v=jHxyP-nUhUY Te presentamos la médula espinal antes de ser procesada químicamente con fijadores para su estudio. https://www.youtube.com/watch?v=RiGgNarlvK4 Una vez que se dispone de tejido fijado, se da paso a la sección del encéfalo en delgadas láminas y, poste- riormente, a su tinción, con el fin de hacer visibles las estructuras y examinar detalladamente su morfología. Las secciones o cortes de tejido, que podemos llamar coloquialmente “rebanadas” o “lonchas”, se hacen con un grosor variable en función de la técnica de microscopía e histológica que se va a aplicar. Las secciones que se preparan para examinar al microscopio óptico tienen un grosor de 10 a 80 µm. En cambio, las que son preparadas para el microscopio electrónico, por lo general, tienen un grosor inferior a 1 µm. Los cortes de tejido nervioso pueden hacerse con una máquina llamada microtomo, para cortes más gruesos, o con un criostato (o criotomo) para cortes más finos. En general, ambas máquinas constan de tres partes: una cuchilla, una plataforma donde se coloca el tejido y un mecanismo que facilita que la cuchilla o la plataforma avance después de cada corte, lo que permite continuar con la siguiente sección. Después de que el tejido haya sido cortado, cada una de las secciones se coloca sobre una placa de vidrio para posteriormente aplicar alguno de los métodos de tinción que explicaremos más adelante. 1.2. Células del sistema nervioso Las principales células que conforman el SN son las neuronas y las células gliales (también denominadas neuroglia o simplemente glía). Las neuronas son consideradas la unidad funcional del SN. Cada una de las neuronas es un centro de procesamiento que recibe e integra la información procedente del exterior o del interior del organismo. Una vez procesada, transmite esta información a otras neuronas, tejidos u órganos efectores. Las células gliales realizan otro tipo de tareas auxiliares, pero imprescindibles para el funciona- miento correcto de las neuronas (Figura 1). 10 Principios y técnicas de neuroanatomía estructural y funcional Figura 1 Representación de las principales células que componen el sistema nervioso Capillary Astrocyte Neuron Oligodendrocyte Synapse Myelin sheath Dendrite Myelinated Microglia axon 1.2.1. Estructura de la neurona La neurona es la unidad fundamental de procesamiento y transmisión de la información en el SN, que puede mostrar diversas formas y características según las funciones que realice. Generalmente, contiene varias estructuras bien diferenciadas, a continuación, definiremos distintos términos: cuerpo celular, dendritas, axón, terminales axónicas (Figura 2) y membrana. Cuerpo celular o soma: Contiene el núcleo y la mayor parte de las estructuras encargadas de los procesos vitales de la célula. En función del tipo de neurona, podemos observar variaciones en su forma. La estructura interna del soma puede contener los siguientes elementos: núcleo, nucléolo, citoplasma, mitocondrias, retículo endoplasmático, aparato de Golgi, lisosomas, citoesqueleto, microtúbulos y membrana. Una gran cantidad de somas neuronales juntos reciben el nombre de sustancia gris, ya que esa es la coloración que tienen a simple vista. Dendritas: Se trata de una estructura ramificada en forma de árbol. De hecho, su nombre proviene del término griego dendron, cuyo significado es “árbol”. Las dendritas son esas “ramas” y funcionan como receptores de los mensajes entre neuronas. Estos mensajes, que se pasan de una neurona a otra, se transmiten a través del proceso de sinapsis, que se basa en la unión entre el terminal axónico de una célula (célula emisora) y la dendrita de otra neurona (célula receptora). La comunicación entre terminal axónico y dendrita no es el único tipo de sinapsis, pero sí el más frecuente. De forma general, la dirección de la información va desde el terminal axónico de una neurona hacia la membrana de otra neurona. 11 Capítulo 1. Primeros pasos en el desarrollo de la neuroanatomía Axón: Estructura cilíndrica larga y delgada que transporta información desde el soma a sus termina- ciones nerviosas o axónicas. El axón está recubierto por una vaina de mielina, que lo aísla y facilita la transmisión de la información. Aunque propiamente se llama axón, en la literatura es frecuente que a un conjunto de axones se los llame fibras, prolongaciones nerviosas o proyecciones, aunque anatómica- mente un conjunto de axones se llama fascículo, tracto o nervio. Un grupo grande de axones tiene un color blanquecino debido a la mielina que los recubre, de ahí que se llame sustancia blanca. El mensaje básico que transporta el axón se denomina potencial de acción (que explicaremos más adelante). Este potencial es un breve suceso electroquímico que, al llegar a las terminales axónicas, inicia los meca- nismos necesarios para que se dé la comunicación con otras neuronas. El potencial de acción se genera en el cuerpo celular y se propaga por todo lo largo del axón hasta alcanzar las terminales axónicas. Terminales axónicas: Se trata de las protuberancias localizadas al final de las ramificaciones del axón, también se las llama terminales nerviosas, botones terminales o sinápticos. Cuando el potencial de acción alcanza la terminal axónica, da inicio una serie de eventos necesarios para la liberación de una sustancia química llamada neurotransmisor (NT). En función del tipo de NT, excitará o inhibirá a la célula que recibe dicho NT o célula receptora. Membrana celular: También es conocida como membrana plasmática o bicapa lipídica. Delimita a la célula del medio extracelular. Es una doble capa de grasas o lípidos bastante dinámica y selectiva. La célula, en este caso la neurona, puede agregar o quitar componentes de su membrana, esto es, proteínas que desempeñan diferentes funciones. Algunas de estas proteínas navegan literalmente embebidas en la membrana con un extremo dentro de la neurona (en contacto con el líquido intrace- lular o citoplasma) y el otro extremo en el líquido extracelular. Otras proteínas solo asoman hacia el citoplasma o hacia el líquido extracelular. La función obvia de la membrana es, entre muchas otras, separar el medio externo e interno para mantener estable la composición química del interior celular. Dependiendo de qué parte de las neuronas se trate, podemos encontrar algunas zonas de la membrana con baja o muy alta concentración de diferentes proteínas. Las proteínas de la membrana mantienen a la neurona lista para ejercer sus funciones, entre las que destacan recibir y enviar mensajes. Adicionalmente, existe el término neurita, que hace referencia a cualquier prolongación que surja del cuerpo celular. Por lo tanto, si no hacemos distinción entre dendritas y axón, podemos referimos a estos elementos de la neurona como neuritas. Figura 2 Partes principales de una neurona típica Dendritas Núcleo Cuerpo celular o soma Capa de mielina Cono axónico Dirección del impulso nervioso (potencial de acción) Axón Terminales axónicas 12 Principios y técnicas de neuroanatomía estructural y funcional 1.2.2. Tipos de neuronas Existen distintos tipos de neuronas que pueden ser clasificadas siguiendo diversos criterios, revisaremos dos: según el número y la disposición de sus prolongaciones (Figura 3) y según su función. 1. Clasificación según número y disposición de prolongaciones: Neurona unipolar: Presenta únicamente una prolongación emergiendo del soma. A partir de esa prolongación, posteriormente, se separan segmentos para recibir o enviar información. Neurona pseudounipolar: Similar a la unipolar; pero, en cuanto emerge la prolongación del soma, se divide en dos. Neurona bipolar: Presenta dos prolongaciones partiendo del soma, una ramificación dendrítica y el axón. Neurona multipolar: Desde el soma parten múltiples prolongaciones; una de ellas es el axón, las demás son el árbol dendrítico. Son las más comunes en los mamíferos. Existen varios tipos de neuronas multipolares. Figura 3 Clasificación de las neuronas según las prolongaciones que parten del soma, con flechas que indican el flujo de la información PSEUDOUNIPOLAR Axon Nucleus Dendrite Synapse Nucleus UNIPOLAR Cell body Axon Dendrite Synapse MULTIPOLAR Axon BIPOLAR Axon Dendrite Synapse 13 Capítulo 1. Primeros pasos en el desarrollo de la neuroanatomía 2. Clasificación según su función: Neurona aferente sensorial: Encargada de detectar los cambios producidos en el medio externo o interno del sujeto para transmitirlos al sistema nervioso central (SNC). Neurona eferente motora: Perteneciente al SNC, controla los movimientos y contracciones de los músculos. Interneurona: Situada en el SN, las interneuronas presentan axones relativamente cortos o incluso no presentan axón. Integran la actividad neuronal dentro de una estructura o núcleo. Podemos distinguir distintos tipos de interneuronas: las interneuronas locales, forman circuitos con neuronas próximas y analizan pequeños fragmentos de información, y las interneuronas de proyección o relevo, que conectan circuitos locales de una región con otras regiones. 1.2.3. Características y tipos de glía Las células glía o gliales tienen como función principal dar soporte estructural, metabólico y proteger a las neuronas. Como veremos más adelante, el SN se divide en SNC y SN periférico (SNP), y cada uno contiene diversos tipos de células glía. En el SNC encontramos los astrocitos, los oligodendrocitos y la microglía; en el SNP, las células de Schwann. Astrocitos: Tienen diversas funciones que protegen a las neuronas, les proporcionan soporte físico actuando como una especie de pegamento nervioso, producen algunas sustancias químicas que las neuronas necesitan para sus funciones, aíslan y rodean la sinapsis, eliminan los deshechos del encé- falo a través de la fagocitosis, regulan la composición química del líquido que rodea las neuronas y las abastecen de nutrientes. Además, se encargan del recubrimiento vascular relacionado con el mantenimiento de la barrera hematoencefálica (Figura 1). Oligodendrocitos: Su función principal es producir las vainas de mielina en el SNC y proporcionar asistencia a las neuronas. Las vainas de mielina rodean y aíslan los axones neuronales aumentando la velocidad de conducción de los potenciales de acción y haciéndolos más eficientes. La vaina de mielina no es continua a lo largo del axón, sino que muestra pequeñas porciones descu- biertas de axón que se denominan nódulos de Ranvier, que son esenciales para que se propague el potencial de acción a lo largo de todo el axón (Figura 4). Con una función similar, pero en el SNP, encontramos las células de Schwann (Tabla 1). Células de Schwann: Estas células tienen la misma función que los oligodendrocitos; pero se sitúan específicamente en el SNP, dan soporte a los axones y los recubren. Básicamente las células de Schwann son la mielina del SNP y tienen un papel muy importante en los procesos de recuperación del SNP (Figura 4) (Tabla 1). Microglía: Es el conjunto de las células gliales más pequeñas y funcionan principalmente como fago- citos en respuesta a las lesiones del SN. Específicamente, rodean y degradan las neuronas muertas o a punto de morir. Por otro lado, este conjunto de células tienen además una función protectora del encéfalo y son las responsables de la respuesta inflamatoria reactiva que se produce en los casos de daño cerebral. 14 Principios y técnicas de neuroanatomía estructural y funcional Figura 4 Células gliales que forman la mielina Central nervous Perpheral nervous system (CNS) system (PNS) Nucleus Schwann cells Node of Ranvier Node of Ranvier Oligodendrocytes Nucleus Tabla 1 Comparación entre oligodendrocitos y células de Schwann Oligodendrocitos Células de Schwann SNC SNP Una célula de Schwann enrollada muchas veces Aporta varios segmentos de mielina a más de un axón constituye un segmento de mielina No puede producir regeneración axonal Puede producir regeneración de axones tras una lesión Diferencias en la composición química de la proteína de Ej: La mielina del SNP no es atacada por el sistema mielina que producen. inmune en la esclerosis Ej: Esclerosis múltiple ataca sólo SNC. Nota. Resumen con las principales diferencias entre los oligodendrocitos y las células de Schwann (Guardo-Gómez et al., 2020). Ahora que hemos revisado las características de las principales células que conforman el SN, estamos listos para comprender mejor las características y utilidad de las principales técnicas de observación microscópica. 1.2.4. Técnicas: Observación microscópica El tejido nervioso requiere preparación para ser observado al microscopio —ya hemos mencionado antes algunos aspectos referentes a la fijación del tejido—; sin embargo, además, para poder observar a las células nerviosas debe aplicarse algún procedimiento de tinción. >>> 15  Capítulo 1. Primeros pasos en el desarrollo de la neuroanatomía >>> Si el tejido no se tiñe y observamos al microscopio una sección tisular del cerebro, podríamos ver los contornos de algunas masas celulares grandes y los fascículos de fibras más relevantes, pero no podríamos percibir los detalles más menudos. La tinción es de vital importancia en la investigación de estructuras neuroanatómicas microscópicas, ya que facilita, por ejemplo, la localización de una lesión cerebral. En este caso, se podría utilizar una técnica sencilla como la tinción de los somas celulares, pero también existen métodos para teñir los axones o las células gliales. A continuación, explicaremos los principales. Método de Golgi: Uno de los avances más importantes en el ámbito de la histología del SN fue el resul- tado del descubrimiento por parte de Camilo Golgi (1843-1926) de la reazione nera (reacción negra). El método de Golgi es un procedimiento que revela la morfología neuronal completa, se basa en el uso de sales de plata, y permitió conocer las características morfológicas de las células nerviosas, y así discri- minar entre el cuerpo neuronal, las dendritas y el axón. Este método se fundamenta en la formación de depósitos opacos intracelulares de cromato argéntico, producto de la reacción entre el bicromato de potasio y el nitrato de plata (reacción negra). Aunque existen métodos modernos de tinción intracelular que muestran imágenes excelentes de la morfología neuronal completa, el método de Golgi se mantiene vigente por ser una técnica más práctica y menos costosa para el estudio de la morfología normal y patológica de las neuronas (Figura 5). Para ver el análisis detallado de una neurona teñida por Cajal usando el método de Golgi se recomienda consultar a García López et al. (2006). Figura 5 Tinción de Golgi Nota. Neuronas piramidales de la corteza cerebral teñidas con el método de Golgi. Del soma en forma cónica, se origina un gran dendrita apical y múltiples dendritas basales. >>> 16  Principios y técnicas de neuroanatomía estructural y funcional >>> Método de Nissl: Esta tinción debe su nombre al neuropatólogo alemán Franz Nissl (1860-1919), quien descubrió que un tinte, llamado azul de metileno, podía teñir los somas celulares. El material que capta el tinte, conocido como sustancia de Nissl, está formado por ARN, ADN y proteínas asociadas en el núcleo celular y dispersas, en forma de gránulos, por el citoplasma. Además del azul de metileno, se pueden utilizar otros tintes para teñir los somas, pero el que más se emplea es el violeta de cresilo. Cabe destacar que el descubrimiento de las tinciones de somas celulares hizo posible identificar masas nucleares en el encéfalo, lo que permite, por ejemplo, conocer el número de neuronas que forman las distintas regiones cerebrales. Este método no tiñe selectivamente los somas celulares neuronales, sino todas las células, ya sean neuronas o células gliales, quedan teñidas por igual. Por consiguiente, le corresponde al investigador determinar cuál es cuál en función de su tamaño, forma y localización. Actualmente, las tinciones dirigidas a la diferenciación de cuerpos celulares se emplean en innumerables estudios cuantitativos, siendo de particular interés aquellos dirigidos al análisis de condiciones que provocan pérdida o muerte neuronal (Figura 6). Figura 6 Tinción de Nissl Nota. Tinción usando violeta de cresilo de células de Purkinje en el cerebelo. Técnicas de mielina y trazado de conexiones: Las técnicas para el estudio de la mielina se emplean para examinar la organización de la sustancia blanca, rica en fibras mielinizadas, y que se tiñe intensa- mente, mientras que la sustancia gris se queda sin teñir, lo que permite la marcación selectiva de las prolongaciones nerviosas. Estos métodos se caracterizan por teñir el recubrimiento graso de los axones (mielina). Por lo tanto, permiten complementar y obtener información adicional frente a otras técnicas de tinción que resaltan los cuerpos neuronales. Existen diversas técnicas para el estudio de la mielina, entre las que cabe destacar la técnica de Weigert-Pal, la técnica de Luxol Fast Blue, la técnica Sudán negro y la impregnación con osmio. >>> 17  Capítulo 1. Primeros pasos en el desarrollo de la neuroanatomía >>> Por otro lado, en lo que se refiere al estudio de las conexiones neuronales, se emplean técnicas de trazado axónico o de conexiones, las cuales permiten conocer desde dónde parten las conexiones que llegan a una región cerebral o hasta qué áreas cerebrales se envían axones desde una región concreta. Estos procedimientos se deben aplicar antes de fijar y cortar el tejido nervioso. Entre estas técnicas destacan las siguientes: Método de marcado anterógrado: Emplea sustancias que son captadas por las dendritas o los somas neuronales y transportadas a lo largo del axón hasta los botones terminales. Se han desarrollado dife- rentes métodos; uno de los más reconocidos es la PHA-L, que se emplea para trazar las vías neurales e identificar los axones cuyo soma se encuentra en el SNC y llegan hasta músculos u órganos (eferentes). Método de marcado retrógrado: Utiliza sustancias captadas por los botones terminales y traspor- tadas de vuelta a lo largo del axón hacia el soma, es decir, hacen el camino inverso al que realizan los métodos de marcado anterógrado. Por lo tanto, el procedimiento para identificar las fibras que recibe una determinada área del encéfalo es similar al utilizado para identificar las fibras que parten hacia otras estructuras. Para ello, se utiliza una sustancia denominada oro fluorado que, una vez inyectada en el tejido nervioso, es absorbida por los botones terminales y transportada de vuelta a los somas celulares mediante transporte axoplásmico retrógrado. Recordemos que anteriormente describimos que el tejido debe perfundirse y fijarse, y que debemos dejar el tejido cortado y en una placa de vidrio. Tras la aplicación de alguna técnica de tinción, los cortes se cubren con una pequeña cantidad de medio de preparación, que es como se conoce al líquido que se aplica para recubrirlos. Finalmente, se coloca otra lámina de cristal muy fina sobre ellas, la cual se mantiene sujeta gracias a la capa de medio de preparación que se ha administrado. Cabe señalar que el microscopio óptico tiene una escasa capacidad de resolución espacial para apreciar detalles pequeños. Por ejemplo, para poder ver estructuras anatómicas tan menudas como los elementos que hay dentro de un botón axónico y detalles de los orgánulos celulares hace falta un microscopio electrónico. Este instrumento permite pasar un haz de electrones de un lado a otro del tejido que se quiere examinar, lo que lleva a que una sombra de este se proyecta sobre una placa fotográfica, la cual queda revelada por los electrones. La fotografía electrónica producida aporta información sobre detalles estructurales de un tamaño de pocas decenas de nanómetros. Otro instrumento que conviene destacar es el microscopio electrónico de barrido que, aunque ofrece menos amplificación que el microscopio electrónico de transmi- sión corriente, es capaz de mostrar los objetos en tres dimensiones. 18  Capítulo 2 Procesamiento y comunicación neuronal Abordaremos dos mecanismos importantes para entender la comunicación neuronal: el potencial de membrana en reposo y el potencial de acción. El potencial de membrana en reposo es el estado en que se encuentra la neurona en el momento en el que recibe la información, la cual puede estar más o menos excitable. Si la neurona está excitable, con poca estimulación disparará su mensaje (potencial de acción). Si está poco excitable, la probabilidad de que dispare un potencial de acción es más baja. Es importante remarcar que la información que la neurona recibe puede ser excitadora o inhibitoria. Explicaremos estos conceptos a conti- nuación de forma más detallada. 2.1. Potencial de membrana en reposo La información y comunicación dentro de las neuronas se produce mediante cambios en la energía eléc- trica. Esta energía se determina a través del potencial de membrana en reposo, cuyo valor indica la dife- rencia en el potencial eléctrico que hay entre el interior y el exterior celular. El potencial de membrana en reposo puede cambiar, lo que se traduce en un aumento o disminución de la probabilidad de disparo de un potencial de acción. Explicaremos esto mediante cuatro conceptos importantes (Figura 7): Polarización Despolarización Hiperpolarización Umbral de excitación 19 Capítulo 2. Procesamiento y comunicación neuronal 2.1.1. Polarización Cuando la neurona se encuentra en reposo (potencial de membrana en reposo), el potencial eléctrico del interior celular es de entre –60 y –70 mV (el interior celular es negativo respecto al exterior celular). Por lo tanto, se considera que una neurona está polarizada cuando presenta un estado de reposo y su membrana mantiene una carga de aproximadamente –70 mV en el interior de la célula. 2.1.2. Despolarización Cuando se estimula una neurona, se produce lo que se denomina despolarización. Se llama despolarización porque el potencial de membrana en reposo, que normalmente está polarizado (muy próximo a los –70 mV), pierde algo de su polaridad negativa, acercándose ligeramente hacia el polo positivo al tomar valores de –60 o –57 mV aproximadamente. En otras palabras, se aleja ligeramente del polo negativo para acercarse al polo positivo. 2.1.3. Hiperpolarización Es el caso contrario a la despolarización. Cuando se induce una hiperpolarización significa que el valor original de potencial de membrana en reposo, que es de aproximadamente –70 mV, ahora será todavía más negativo (por ejemplo, –75 mV). En otras palabras, parte desde un estado polarizado negativo (–70 mV) para acercarse todavía más hacia el polo negativo. 2.1.4. Umbral de excitación Los conceptos de polarización, despolarización e hiperpolarización cobran sentido cuando introducimos el concepto de umbral de excitación. Se trata de un valor bastante estable y próximo a –55 mV. Cuando el potencial de membrana en reposo alcanza este umbral, se desencadena un potencial de acción, esto es, el mensaje de la neurona. Entonces, podemos entender que la despolarización significa que la neurona es más excitable (cercana al umbral de disparo de potencial de acción) y que la hiperpolarización se produce cuando es menos exci- table (lejos del umbral de disparo). Si la despolarización alcanza un umbral de excitación, por ejemplo –55 mV, el valor negativo del potencial de membrana en reposo cambia momentáneamente a positivo, esto se traduce en una inversión breve de la polaridad, es decir, que está teniendo lugar un potencial de acción. 2.2. Potencial de acción Como acabamos de mencionar, la inversión breve de la polaridad del potencial de membrana en reposo (–70 mV) significa que está sucediendo un potencial de acción (Figura 7). Este potencial es transportado por el axón desde el soma hasta las terminales nerviosas. Cuando el potencial de acción alcanza estas termi- nales, comienza un proceso que culmina en la liberación del agente químico específico denominado NT, que se encarga de la transmisión de información entre neuronas. El potencial de acción no cruza de una neurona a otra, solo desencadena en la terminal del axón el proceso para que se libere el NT, que a su vez provocará efectos variados en la neurona que lo capta. 20  Principios y técnicas de neuroanatomía estructural y funcional Figura 7 Potencial de membrana en reposo y potencial de acción Despolarización + 30 Inversión de polaridad Potencial de acción Potencial de membrana 0 (mV) Umbral de - 55 excitación - 70 Potencial Potencial de reposo de reposo 2 ms Hiperpolarización El potencial de acción se inicia en el soma de la neurona, específicamente en la zona del soma desde donde nace el axón, llamada cono axónico (Figura 2) y se propaga a lo largo del axón con una velocidad constante y de forma discontinua o saltatoria a través de cada porción de axón desprovisto de mielina. Estas porciones se llaman nódulos de Ranvier. En cada nódulo de Ranvier, la membrana axónica queda en contacto con el líquido extracelular, la condición necesaria para que se pueda producir el intercambio de iones responsable de que la membrana axónica cambie del potencial de membrana en reposo al potencial de acción y, por lo tanto, que se propague el poten- cial de acción a todo lo largo del axón hasta llegar a la terminal axónica para iniciar el proceso de liberación del NT. El potencial de acción es el resultado del balance entre dos fuerzas contrapuestas que marcan el inter- cambio de las moléculas entre el interior y el exterior de las neuronas: Fuerza de difusión: Movimientos de las moléculas desde las regiones con alta concentración hacia las regiones de concentración baja. Recordemos que las moléculas de una sustancia disuelta en un fluido siempre intentarán ir de zonas de alta concentración hacia zonas de baja concentración. Fuerza de presión electrostática: Fuerza de atracción entre moléculas eléctricamente cargadas de signos opuestos o fuerza de repulsión entre moléculas cargadas del mismo signo. En otras palabras, al igual que con los imanes según su polaridad, los iones son atraídos o repelidos (rechazados). Aquellos con carga negativa son atraídos hacia zonas cargadas positivamente; por su parte, iones cargados negativamente son repelidos de zonas cargadas negativamente. Puede tratarse de electrolitos o iones (cationes, si tienen carga positiva, o aniones, si tienen carga negativa). Entre los iones observados en el líquido intracelular y extracelular destacaremos los más relevantes para explicar el potencial de acción. Los iones que contiene la neurona en el líquido intracelular son aniones orgánicos (A–) y también iones de potasio (K+). En el espacio extracelular, observamos iones de cloruro (Cl–) y también iones de sodio (Na+). 21 Capítulo 2. Procesamiento y comunicación neuronal Recordemos que el interior celular o líquido intracelular tiene una carga eléctrica negativa, mientras que el líquido extracelular tiene carga positiva. Basándonos en las fuerzas de difusión y presión electrostática, y considerando la carga de cada uno de los iones descritos, explicaremos a continuación el estado habitual de la neurona y el motivo por el que cada uno de estos iones permanece en un lugar concreto (dentro o fuera de la neurona), lo que determina su función en el potencial de acción (Figura 8). Figura 8 Principales iones implicados en el potencial de membrana en reposo y potencial de acción Exterior celular: eléctricamente positivo (+) Baja concentración Alta concentración K+ Cl- Na+ Membrana neuronal Alta concentración Baja concentración A- K+ Cl- Na+ Interior celular: eléctricamente negativo (-) Nota. Se representan las principales fuerzas implicadas en el potencial de membrana en reposo y de acción. Para favorecer la claridad de la ilustración, se muestra la membrana celular sin proteínas, pero es importante mencionar que para que haya un flujo de iones deben existir diversas proteínas en la membrana. Una de las cuestiones básicas que se debe considerar es el motivo por el que el Na+ permanece a una concentra- ción máxima en el líquido extracelular a pesar de que ambas fuerzas (difusión y electrostática) tienden a empujarlo hacia adentro, ya que en el interior celular hay menos iones de Na+ y, además, es negativo, por lo que el interior atraería a los iones de Na+ debido a su carga positiva. Para poder explicar esta cuestión es necesario hablar de la bomba sodio-potasio, también llamados transportadores de sodio-potasio. Son proteínas que se encuentran en la membrana neuronal y que intercambian, como su nombre indica, Na+ por K+, de manera que, por cada tres iones de Na+ que saca una de estas bombas, se introducen dos iones de K+. De este modo, el conjunto de bombas trabaja continuamente para mantener baja la concentración intracelular de Na+ y alta la concentración intracelular de K+. Sin esta diferencia entre interior y exterior celular, la neurona no podría generar un potencial de acción. La Figura 9 muestra las diferentes fases del potencial de acción y su relación con los canales iónicos para Na+ y K+ presentados en seis etapas principales. 1 Apertura de canales de Na+: Cuando una neurona sufre una despolarización suficiente para alcanzar el umbral de disparo, se activan proteínas especializadas en la membrana llamadas canales iónicos dependientes de voltaje, que solo dejan entrar iones de Na+. Tras la apertura de estos canales, los iones de Na+ entran rápidamente como resultado de las fuerzas de difusión (ya que hay poco Na+ en el interior celular) y la presión electrostática (debido a su carga positiva son atraídos por la carga negativa dominante en el interior de la neurona). 22 Principios y técnicas de neuroanatomía estructural y funcional Como consecuencia de todo el flujo masivo de iones de Na+ positivamente cargados hacia el inte- rior de la célula, se produce una nueva, repentina y fuerte despolarización adicional, varias veces superior a la despolarización que originó el potencial de acción, llevando a la neurona de su valor de reposo original de –70 mV hasta un valor positivo de aproximadamente 30 mV. 2. Apertura de canales de K+: Durante este nuevo e intenso periodo de despolarización, se activan otras proteínas. Esta vez se trata de canales iónicos de K+ dependientes de voltaje. Al igual que los canales de Na+, también son sensibles al voltaje, pero los canales de K+ requieren mayores niveles de despolarización, así que siempre se abrirán primero y rápidamente los canales de Na+ y después los canales de K+. 3. Desactivación de canales de Na+: Después de aproximadamente un milisegundo desde el inicio del poten- cial de acción, se alcanza el máximo voltaje. En este momento los canales de Na+ dejan de funcionar. A este estado se le llama refractario. Los canales de Na+ ya no están activos, así que ya no puede entrar más Na+ y se abrirán nuevamente cuando la membrana llegue otra vez al valor de reposo inicial (–70 mV). 4. Salida de iones de K+: Una vez alcanzado el pico del potencial de acción y cerrados los canales de Na+, se inicia una lenta salida de los iones de K+. Por unos instantes, el interior del axón se ha vuelto positivo, el flujo hacia el exterior va restableciendo el valor negativo original de la membrana y es entonces cuando los canales de K+ comienzan a cerrarse también. 5. Una vez que se restablece el potencial de membrana en reposo, los canales de Na+ van quedando listos para abrirse nuevamente. 6. Típicamente, tras un potencial de acción, la membrana alcanza momentáneamente un valor incluso más negativo que el valor inicial. Esto es debido a que los canales de K+ van paulatinamente cerrán- dose y al trabajo de las bombas sodio-potasio, que gradualmente van sacando los iones de Na+ remanentes y metiendo a la célula iones de K+. Figura 9 Fases del potencial de acción 3 + 30 2 4 Potencial de membrana 0 (mV) 1 5 - 55 Umbral de excitación - 70 6 Na+ K+ K+ Exterior celular Membrana K+ K+ K+ Interior celular Na+ Na+ Repolarización Despolarización Hiperpolarización Reposo Nota. Panel superior, elaboración propia. Panel inferior. El grosor de las flechas negras indica la fuerza de entrada o salida de iones. Adaptado de Fundamentals of human neuropsychology, por B. Kolb, 2015, Worth Publishers, p. 104. 23 Capítulo 2. Procesamiento y comunicación neuronal 2.3. Sinapsis El mecanismo por el cuál las células nerviosas se comunican entre sí se denomina transmisión sináptica. Se basa en la transmisión de mensajes a través de la sinapsis. La sinapsis suele ocurrir entre una neurona presináptica, que es la emisora del mensaje, y una neurona postsináptica, la que recibe el mensaje. Estos mensajes son en realidad sustancias neurotransmisoras libe- radas desde las terminales nerviosas. Las moléculas de NT, al ser liberadas en el espacio existente entre las neuronas (llamado espacio sináptico o hendidura sináptica), y ser captadas por la otra célula, producen potenciales postsinápticos, esto es, despolarizaciones o hiperpolarizaciones en la neurona postsináp- tica. La suma de estos potenciales postsinápticos (recordemos que una neurona recibe miles de sinapsis) aumentan o disminuyen la probabilidad de que se alcance el umbral de excitación en la neurona postsináp- tica. Básicamente, llamamos sinapsis al proceso de liberación de NT desde la neurona presináptica que implica necesariamente la captación de ese NT por parte de la célula postsináptica. Los neurotransmisores ejercen sus efectos sobre las células a través de la unión a un lugar específico de una molécula receptora denominado lugar de unión o sitio de reconocimiento. Aquí pueden unirse sustan- cias como los NT o sustancias químicas presentes en la naturaleza (plantas o venenos) y también fármacos. Todos ellos se consideran ligandos. Una forma de visualizar estos mecanismos es mediante la analogía entre llaves y cerraduras, ya que solamente el ligando adecuado (llave) puede activar el receptor correspondiente (cerradura). El resultado final puede ser la apertura de canales iónicos que permitirán el flujo de iones a través de la membrana celular. Esto cambiará el estado del potencial de membrana en reposo de la neurona postsináptica, lo que la hará más o menos excitable. 2.3.1. Estructura de la sinapsis En la estructura de la sinapsis podemos diferenciar tres partes: la membrana presináptica, la membrana postsináptica y la hendidura sináptica. Membrana presináptica: Membrana de la terminal nerviosa situada cerca de la membrana postsináp- tica. Esta membrana libera el NT. Membrana postsináptica: Membrana celular perteneciente a la célula que recibe el mensaje. Contiene receptores que son proteínas especializadas que detectan la presencia de sustancias neurotransmi- soras en la hendidura sináptica. Hendidura sináptica: Espacio entre la membrana presináptica y postsináptica. Contiene fluido extra- celular por el que atraviesa el NT. 2.3.2. Mecanismo de la sinapsis El proceso de sinapsis cuenta con diversas fases imprescindibles para que se produzca la comunicación entre neuronas (Figura 10): 1. Se produce un potencial de acción que llega al botón axónico y genera una despolarización que inicia el proceso de liberación del NT. 2. Esta despolarización hace que la membrana se vuelva permeable al calcio (Ca++), al abrir los canales específicos para este ion y permitirle entrar al botón presináptico. 24 Principios y técnicas de neuroanatomía estructural y funcional 3. Mediante la entrada de Ca++, las vesículas sinápticas (pequeñas estructuras esféricas localizadas en las terminales nerviosas y que contienen las moléculas del NT) migran hasta el extremo del botón axónico, donde las vesículas se fusionan con la membrana celular para liberar el NT a la hendidura sináptica. Esto sucede en la llamada zona de liberación. 4. Liberación del NT en la hendidura sináptica. 5. Unión del NT con los receptores postsinápticos (proceso de captación). Esta unión provoca la apertura de canales iónicos específicos (Na+, K+, Cl–) en la neurona postsináptica, que generan a su vez potenciales postsinápticos. En otras palabras, despolarización o hiperpolarización del potencial de membrana en reposo que se traduce en excitación o inhibición de la neurona postsináptica. 6. Una vez finalizada la acción del NT este es eliminado de la hendidura sináptica mediante varios meca- nismos, uno de ellos es la acción de enzimas y otro es la recaptación. Figura 10 Mecanismos básicos de la sinapsis Terminal axónico Potencial de acción 1 3 Vesícula sináptica 2 Neurona presináptica Ca 2+ 6 Recaptación 4 Neurotransmisor Espacio sináptico Receptor postsináptico Membrana Neurona celular 5 postsináptica La entrada de Ca++ a la terminal sináptica activa las enzimas necesarias para que se dé el proceso de acopla- miento de la vesícula sináptica y su fusión con la membrana presináptica para liberar su NT a la hendidura sináptica, este proceso se denomina exocitosis. Sin Ca++ no hay neurotransmisión. Si el Ca++ no entra en la terminal presináptica, no se inicia el proceso necesario para que las vesículas liberen su NT. Experimentalmente in vitro se puede eliminar el Ca++ del líquido extracelular. En estas circunstancias, el potencial de acción se da normalmente, pero no se libera NT. 25 Capítulo 2. Procesamiento y comunicación neuronal Los fármacos y drogas afectan a los mecanismos de la sinapsis, favoreciendo o dificultando la neurotrans- misión, según su efecto final en la neurotransmisión. Estas sustancias se pueden clasificar en sustancias con efecto agonista (cuando se favorece o aumenta la función), y en antagonista (cuando disminuye o bloquea el efecto de un determinado NT). Así pues, podemos encontrar efectos agonistas y antagonistas para los diferentes sistemas de neurotransmisión descritos a continuación e ilustrados en la Figura 11. Mecanismos que ejercen efecto agonista: 1. La sustancia sirve como precursor del NT. 2. La sustancia provoca la liberación del NT. 3. La sustancia estimula los receptores postsinápticos. 4. La sustancia bloquea los autorreceptores; por lo tanto, incrementa la síntesis y liberación de NT. 5. La sustancia bloquea la recaptación o recaptura. Mecanismos que ejercen efecto antagonista: 6. La sustancia impide el almacenamiento del NT en vesículas. 7. La sustancia inhibe la liberación del NT. 8. La sustancia bloquea los receptores postsinápticos. 9. La sustancia inactiva enzimas de síntesis, por lo tanto, se inhibe la síntesis del NT. 10. La sustancia estimula los autorreceptores, inhibiendo la síntesis y liberación del NT. Figura 11 Mecanismos de sustancias agonistas y antagonistas Terminal axónico Precursores de 1 Enzimas sintetizadoras neurotransmisor 9 Vesícula sináptica 6 Neurona Presináptica Ca 2+ 2 Exocitosis 7 Recaptura 5 4 10 Neurotransmisor Autorreceptor Espacio sináptico Receptor postsináptico Membrana celular de la neurona Neurona 3 8 postsináptica postsináptica Nota. Principales mecanismos mediante los cuales se ejerce efecto agonista (1-5 en azul) o antagonista (6-10 en rojo). 26 Principios y técnicas de neuroanatomía estructural y funcional 2.3.3. Receptores Los receptores postsinápticos son proteínas de la membrana postsináptica poseen un lugar de unión o sitio de reconocimiento específico para cada NT. Una vez que se produce la unión entre receptor y NT se abren ciertos canales iónicos, dependiendo del receptor activado, que permiten el flujo de iones especí- ficos hacia el interior o exterior celular. El NT puede abrir los canales iónicos mediante dos métodos, directo e indirecto: Método directo o receptor ionotrópico: Receptor que contiene un lugar de unión para un NT especí- fico y un canal iónico que se abre cuando una molécula de NT se acopla al lugar de unión. Método indirecto o receptor metabotrópico: Este tipo de receptores no se abren directamente ante la presencia de un NT, sino que inician una serie de reacciones químicas más complejas. Estos recep- tores, al igual que los ionotrópicos, contienen un lugar de unión para un NT, que activa la liberación de una proteína G. Esta a su vez activa una enzima que estimula la producción de moléculas llamadas segundo mensajero (el primer mensajero es el NT). Las moléculas que ejercen de segundo mensajero se desplazan por el citoplasma y abren canales iónicos cercanos. 2.3.4. Potenciales postsinápticos Una vez producida la sinapsis, los potenciales postsinápticos resultantes podrán ser de tipo excitatorio o inhibitorio en función de si producen despolarización o hiperpolarización en la postsinapsis. Los tipos de potenciales postsinápticos podrían ser: Excitadores: Este tipo de potencial implica la apertura de los canales de Na+, que como resultado produce una despolarización y un potencial postsináptico excitador (PPSE). Inhibidores: En este caso se produce una apertura de los canales de K+ y se induce una hiperpola- rización y un potencial postsináptico inhibidor (PPSI). También puede ser resultado de la entrada de iones de Cl–. La suma de los potenciales postsinápticos es lo que determina que se alcance el umbral de excitación y, por lo tanto, se genere un potencial de acción (Figura 12). La finalización de los potenciales postsinápticos suele producirse por recaptación del NT. Este proceso implica una retirada del NT producida por la misma terminal nerviosa que lo liberó, mediante la utilización de proteínas transportadoras de la membrana presináptica que lo llevan al citoplasma (Figura 10, núm. 6; Figura 11, núm. 5). Es importante señalar que el mecanismo de recaptación participa siempre que hay liberación de NT, al ser uno de varios mecanismos que permiten al receptor postsináptico una breve exposi- ción al NT, puesto que, si el NT permaneciera por mucho tiempo en la sinapsis, la comunicación de nueva información no sería posible. 27 Capítulo 2. Procesamiento y comunicación neuronal Figura 12 El disparo de un potencial de acción está determinado por la suma de potenciales postsinápticos Summation at axon hillock 30 Membrane potential (mV) EPSPs IPSPs - 55 - 70 Time Nota. La neurona recibe múltiples PPSE y PPSI (EPSP y IPSP, respectivamente por sus siglas en inglés). Cuando la integración de todos los potenciales alcanza al umbral de excitación (–55 mV), se genera un potencial de acción. Recuperado de https://cnx.org/conteNT/[email protected]:fEI3C8Ot@10/Preface 2.4. Métodos funcionales: Técnicas electromagnéticas Los métodos que registran los cambios de la actividad cerebral (electromagnética o metabólica) produ- cidos por la manipulación de variables conductuales se denominan métodos funcionales. Las técnicas utilizadas por estos métodos pueden diferenciarse por la naturaleza de registro que realizan en dos tipos: Electromagnético, como la electroencefalografía, los potenciales evocados (PE) y la magnetoence- falografía (MEG). Metabólico, que se describirán en el apartado 5.6, como la tomografía por emisión de positrones (PET), la tomografía computarizada por emisión de fotón único (SPECT) y la resonancia magnética funcional (RMf). En este apartado se explicarán los principales métodos electromagnéticos, basados en las características de la comunicación neuronal recientemente descrita: potenciales de reposo y de acción. 2.4.1. Electroencefalografía (EEG) La EEG es una técnica diagnóstica no invasiva que permite estudiar al SN. Fue descrita a principios del siglo xx, cuando el fisiólogo alemán Hans Berger (1873-1941) desarrolló una técnica sencilla para reconocer la acti- vidad eléctrica de grandes regiones del encéfalo. Gracias a esta técnica, observó que era posible registrar fluctuaciones de voltaje u ondas cerebrales colocando los electrodos de un voltímetro sobre el cráneo. >>> 28  Principios y técnicas de neuroanatomía estructural y funcional >>> La actividad EEG espontánea es un reflejo de corrientes que fluyen en el espacio extracelular, gene- radas por la suma de potenciales sinápticos excitatorios e inhibitorios que se producen en miles e incluso millones de neuronas corticales (Bradley et al., 2010; Kandel et al., 2021). Por tanto, el EEG es una técnica que permite amplificar la actividad bioeléctrica cerebral. Para ello, detecta la actividad de campos eléctricos generados principalmente por potenciales postsinápticos de las neuronas pira- midales del córtex. Por lo tanto, las ondas del EEG representan la suma temporal de las oscilaciones producidas por diferentes conjuntos neuronales. Para realizar el registro EEG se debe colocar un grupo de electrodos sobre las zonas craneales corres- pondientes a las áreas específicas del encéfalo. Dichos electrodos quedan fijados por la ayuda de un gorro y un gel conductor. Una vez que se han colocado los electrodos de forma estandarizada, siguiendo el sistema internacional 10/20 (Figura 13), estos van a captar las corrientes eléctricas que se forman en las neuronas. Todos los electrodos tienen un cable conectado a un amplificador encargado de registrar las señales eléctricas. Para el registro, la señal de cada electrodo (sitio de registro) toma como referencia el valor de una zona sin actividad cerebral (lóbulo de la oreja), esta señal es restada de la actividad que registra cada electrodo. Finalmente, la señal es guardada en un medio digital o físico. Figura 13 Sistema 10/20 20 % 20 % Nasion 10 % 20 % FP1 FP2 20 % 20 % F7 F8 10 % F3 Fz F4 Nasion 20 % T3 T4 C3 Cz C4 10 % Inion T5 P3 Pz P4 T6 O1 O2 20 % 10 % Inion Nota. Colocación de electrodos en el cuero cabelludo según el sistema internacional 10/20. Estos números hacen referencia al porcentaje de distancia entre los electrodos. Nasion, intersección de los huesos nasales con el frontal. Inion, protuberancia más posteroinferior del hueso occipital. Las letras para nombrar cada electrodo hacen referencia a los lóbulos cerebrales: F, frontal; T, temporal, O, occipital; P, Parietal y C para la línea central. Para la línea media se emplea “z” (zero): Fz, Cz, Pz. Se utilizan números impares para el lado izquierdo y pares para el derecho. >>> 29  Capítulo 2. Procesamiento y comunicación neuronal >>> Numerosas investigaciones muestran que ciertos patrones de ondas se asocian con estados de conciencia o conductuales específicos. Las ondas cerebrales se caracterizan por seis aspectos básicos (Tabla 2). Dos de ellos son: La frecuencia, es decir, el número de ondas por segundo, la cual varía según los diferentes niveles de alerta del sujeto (en personas despiertas, cuanto más alerta se esté, más rápida será). La amplitud, esto es, por la altura de las ondas; en términos formales, su voltaje. Tabla 2 Aspectos principales de las ondas del EEG Característica Descripción Número de veces que aparece un tipo de onda, formando parte de un ritmo en un segundo Frecuencia (expresado en Hz). Existen cinco bandas de frecuencia: < 4 Hz, 4-8 Hz, 8-15 Hz, 15-30 Hz y > 30 Hz (Figura 14). Topografía Región cerebral donde se registra la actividad eléctrica. Una onda aislada puede mostrar diversas formas, desde regular, irregular, aguda, bifásica, Morfología trifásica, compleja, etc. Se mide en microvoltios (mV) y suele fluctuar entre 20 y 40 mV. Señala la distancia entre la Amplitud línea base y el pico de la onda. Duración Tiempo que dura la onda, expresado en milisegundos. Reactividad Cambios o modificaciones por parte de un ritmo u onda ante estímulos concretos. Nota. Adaptado de Neuroimagen para neuropsicólogos, por M. Giménez, O. Contreras-Rodríguez y C. Soriano-Mas C, 2020, Síntesis, p. 81. En la Figura 14 se muestran los principales tipos de ondas cerebrales. A continuación, se describen estos diferentes tipos, en orden de mayor a menor frecuencia. Ondas gamma: Componente de frecuencia relativamente alta (30-80 Hz, llegando raramente a los 100 Hz). El ritmo gamma está modulado por la entrada sensorial y los procesos internos como la memoria de trabajo y la atención. Numerosas teorías han propuesto que el ritmo gamma contribuye directamente a la función cerebral, pero otras argumentan que gamma es como un subproducto simple de la actividad de la red (Jia y Kohn, 2011). Por tanto, estas frecuencias muestran un estado de hiperactivación que en ocasiones puede ser peligroso para el cerebro. Ondas beta: Este patrón de frecuencia (15-30 Hz) es típico de un EEG tomado de un sujeto en alerta. Por lo tanto, se da cuando el individuo está despierto e implicado en actividades mentales, lo que denota una actividad mental intensa. Ondas alfa: Estas ondas son más lentas y de mayor amplitud que las ondas beta. Su frecuencia oscila entre 8-15 Hz. Estas ondas son típicas de estados de escasa actividad cerebral y relajación. Ondas theta: A medida que los ritmos en el EEG se vuelven más lentos en frecuencia (4-8 Hz) y más grandes en amplitud, se producen las ondas theta. Estas ondas se muestran en estados de calma profunda. Ondas delta: Son las ondas de mayor amplitud y menor frecuencia (>> 30  Principios y técnicas de neuroanatomía estructural y funcional >>> Figura 14 Principales tipos de ondas cerebrales: gamma, beta, alfa, theta y delta GAMMA 30 - 100 Hz BETA 15 - 30 Hz ALPHA 8 - 15 Hz THETA 4- 8 Hz DELTA 0.1 - 3 Hz 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 Time (s) Los distintos patrones de ondas cerebrales convierten al EEG en un medio fiable para controlar la vigilia y otros estados de conciencia. Por lo que las técnicas de electrofisiología aplicada tienen una impor- tancia práctica en el diagnóstico y tratamiento de ciertas enfermedades neurológicas (Bradley et al., 2010). Algunas de las principales indicaciones clínicas en las que se emplea el EEG son: Diagnóstico y clasificación de los trastornos epilépticos. Cirugía de la epilepsia. Diagnóstico y clasificación de patologías del sueño. Apneas/hipoventilación. Parasomnias/hipersomnias. Trastornos epilépticos con expresividad electroclínica específica. Evaluación de situaciones con alteración del nivel de conciencia. Diagnóstico de muerte cerebral. Complemento diagnóstico en enfermedades neurodegenerativas. Siguiendo a Bradley et al. (2010), los principales tipos de alteraciones en el EEG son: Actividad lenta focal arrítmica (polimórfica): Actividad irregular en la banda delta o theta, que, cuando es continua, tiene una fuerte correlación con una lesión cerebral localizada, como un infarto, una hemorragia, o un tumor o absceso. Ondas lentas intermitentes rítmicas: Los brotes paroxísticos de ondas theta o delta rítmicas bisin- crónicas generalizadas suelen indicar disfunción talamocortical, y se observan en trastornos meta- bólicos o tóxicos, hidrocefalia obstructiva, lesiones profundas de la línea media o de la fosa posterior; también una alteración funcional generalizada. >>> 31  Capítulo 2. Procesamiento y comunicación neuronal >>> Actividad lenta arrítmica generalizada (polimórfica): Se observan trastornos difusos en los ritmos de fondo marcados por una actividad lenta excesiva y desorganización de los patrones del EEG de encefalopatías de origen metabólico, tóxico o infeccioso. Atenuación del voltaje: La atenuación del voltaje está causada por enfermedad cortical. Una atenuación generalizada del voltaje suele asociarse con depresión difusa de la función, como sucede después de sufrir anoxia o en ciertas enfermedades degenerativas, como la enfermedad de Huntington. La forma más intensa de atenuación generalizada de voltaje es la inactividad electro- cerebral, que es una prueba corroborativa de muerte cerebral en el contexto clínico. Además, la atenuación focal del voltaje indica una afectación cortical localizada, como en el caso de los meningiomas o hematomas subdurales. Descargas epileptiformes: Las descargas epileptiformes son unas puntas u ondas agudas que se producen de manera interictal en los pacientes con epilepsia y, en ocasiones, en personas que no tienen crisis, pero que presentan una predisposición genética a la epilepsia. Dependiendo del tipo de crisis, estas descargas pueden ser focales o generalizadas. 2.4.2. Potenciales evocados (PE) Una de las medidas derivadas del EEG más empleadas en neurociencia cognitiva para el estudio de las relaciones entre los cambios en la actividad eléctrica cerebral y el procesamiento cognitivo son los PE relacionados con acontecimientos discretos, proveniente del término en inglés event related potentials o ERP (Redolar, 2013). Los PE proporcionan una medida directa y no invasiva del curso temporal de la actividad cerebral, y consisten en una secuencia de cambios breves en una señal del EEG como respuesta a un estímulo sensi- tivo separado. Es decir, se presentan fluctuaciones de voltaje visibles en el EEG, inducidas por los cambios de la actividad del cerebro, que están asociadas temporalmente a la ocurrencia de estímulos sensoriales, motores o sucesos cognitivos. Así, los PE son en gran parte los potenciales postsinápticos excitadores y los potenciales postsinápticos inhibidores que desencadenan un estímulo sensitivo en las dendritas. El PE consiste en una secuencia de fluctuaciones de voltaje positivas y negativas, cada fluctuación se denomina “componente”, cada componente refleja diferentes procesos sensoriales, motores y cognitivos clasificados cuantitativamente, a su vez, en función de diferentes dimensiones. Por un lado, su distribución en el cuero cabelludo, que proporciona información del gradiente de voltaje de un componente en momento temporal concreto, e igualmente, suele relacionarse con las estructuras anatómicas subyacentes. Además de su amplitud, que proporciona un indicador de la extensión de la actividad neural y de cómo es la respuesta del componente a las variables experimentales, su pola- ridad (positiva o negativa) y su latencia, es decir, el momento temporal en el que el pico de amplitud tiene lugar, y que aporta información sobre el curso temporal de dicha activación. Por lo tanto, a la hora de realizar la medición de los PE, se efectúa un proceso formado por diferentes fases: Adquisición Amplificación Promediado Representación gráfica Análisis >>> 32  Principios y técnicas de neuroanatomía estructural y funcional >>> En la fase de adquisición, los electrodos se colocan en el cuero cabelludo, siguiendo el sistema 10/20. La fase de amplificación es necesaria ya que la actividad eléctrica cerebral es una señal fisiológica débil. En el caso de los PE, el factor de amplificación de la señal de entrada registrada por los electrodos es entre 100 000 y 1 000 000 de veces. La señal de los PE es muy pequeña en relación con la actividad EEG de fondo y aparece mezclada con muchas otras señales. Por lo tanto, una forma de detectar un PE es a través de técnicas de prome- diado, es decir, produciendo el estímulo repetidas veces y realizar el promedio de las respuestas registradas. El promedio tiende a anular la actividad eléctrica irregular y no relacionada al dejar únicamente los poten- ciales generados por el estímulo, esta es la fase de promediado. Posteriormente, la fase de representación gráfica, de forma habitual, los PE se representan mediante el uso de ejes de coordenadas voltaje-tiempo, en los que el PE se muestra como una curva o sucesión de crestas y valles (componentes) para cada uno de los electrodos de registro (Figura 15). Finalmente, la fase de análisis conlleva la evaluación de los siguientes aspectos (Giménez et al., 2020): Presencia o ausencia de alguna onda (componente). Amplitud de un determinado componente, esta depende del número de neuronas implicadas en la respuesta, aunque es poco fiable ya que es muy variable. Latencia de un determinado