Las células del sistema nervioso PDF - Neuronas, el sistema nervioso

Capitulo II **Las células del sistema nervioso** *Meritxell Torras García* *(Actualización a cargo de Ana Moreno Alcázar)* **1. Morfología de las células del sistema nervioso** **1.1. La neurona** Nuestro sistema nervioso (SN) esta formado por diferentes tipos de celulas: las neuronas y las c...

Capitulo II **Las células del sistema nervioso** *Meritxell Torras García* *(Actualización a cargo de Ana Moreno Alcázar)* **1. Morfología de las células del sistema nervioso** **1.1. La neurona** Nuestro sistema nervioso (SN) esta formado por diferentes tipos de celulas: las neuronas y las celulas gliales o de soporte. No obstante, ambas tienen estructuras y funciones diferentes, como veremos a continuacion. Hasta finales del siglo XIX, la mayor parte de los cientificos creian que el SN estaba formado por una red de fibras, en lugar de por celulas individuales (**teoría reticular**, que defendia Camillo Golgi). Fue Santiago Ramon y Cajal quien puso de manifiesto que cada celula nerviosa es una entidad discreta y muy definida, y no una parte de una red continua (**doctrina de la neurona**). Cajal y Golgi obtuvieron el Premio Nobel en 1906. En el SN hay dos tipos de celulas: las neuronas y las celulas gliales. ***1.1.1. La neurona: morfología y estructura*** La neurona (celula nerviosa) es el componente fundamental del SN que posee la capacidad de conducir impulsos nerviosos, asi como de transmitir informacion a otras neuronas, es decir, de comunicarse. El funcionamiento del SN, y de la conducta, depende de la comunicacion que se establece entre circuitos neuronales complejos. La neurona es la unidad fundamental de procesamiento y transmision de la informacion al SN. *Soma, axón y dendritas* Hay neuronas de diferentes formas y tamanos, a pesar de lo cual, todas comparten unas caracteristicas estructurales comunes (figura 1). En la mayoria de las neuronas podemos distinguir tres partes: el soma, el axon y las dendritas. *Soma o cuerpo celular* El soma, o cuerpo celular, es el centro metabolico en el que se fabrican las moleculas y se realizan las actividades fundamentales para mantener la vida y las funciones de la celula nerviosa. Contiene el nucleo de la celula; en el nucleo encontramos el nucleolo y los cromosomas. El nucleolo es la fabrica de ribosomas (estructuras relacionadas con la sintesis de proteinas). Los cromosomas son cadenas de acido desoxirribonucleico (ADN) que contienen la informacion genetica del organismo. El nucleo esta rodeado por la membrana nuclear. *Axón* El axon es una unica prolongacion larga que sale del soma. El diametro de los axones varia entre 0,2 y 25 μm. Los axones pueden presentar una longitud variable que oscila entre 1 mm a 1 m. Con frecuencia se bifurcan formando diferentes ramas que reciben el nombre de colaterales axonicos. c Editorial UOC 144 Fundamentos de psicobiologia **Figura 1.** Neurona típica de vertebrado con sus partes principales. Su principal funcion es la de conducir informacion codificada en forma de potenciales de accion, permitiendo, de esta manera, que la informacion pueda viajar desde el soma hasta el boton terminal. En su parte mas distal, se divide y ramifica, y, en el extremo de las ramificaciones, se encuentran pequenos engrosamientos llamados **botones terminales**. Estos botones tienen la funcion de secretar determinadas sustan cias, denominadas neurotransmisores. No obstante, todo este proceso lo veremos en el capitulo "Comunicacion neuronal" de esta obra. Es necesario tener presente que la composicion proteica de la membrana del axon es diferente a la de la membrana del soma, asimismo el reticulo endoplasmatico rugoso no se extiende al axon. *Dendritas* La palabra *dendrita* proviene de la palabra *dendron*, que en griego significa 'arbol'; y, de hecho, las dendritas de las neuronas se dividen como las ramas de un arbol. Estas tiene la apariencia de dimuntos saculos que se posicionan a lo largo de la dendrita. Parece ser que estas estructuras podrian participar en el aislamiento de diferentes reacciones quimicas que se ponen en marcha mediante algunas formas de activacion sinaptica. La forma de las espinas es sensible a la cantidad y al tipo de actividad sinaptica. Existen diferentes factores vinculados al desarrollo del cerebro que podrian determinar en gran medida el numero de espinas de una neurona. Las dendritas son ramificaciones que salen del cuerpo celular o soma, cuya principal funcion es la de recibir informacion de otras neuronas; contienen las espinas dendriticas, que son unas pequenas protuberancias. La membrana dendritica presenta abundantes proteinas especializadas que reciben el nombre de receptores, sensibles a las subtancias liberadas por las nauronas para comunicarse (neurotransmisores). c Editorial UOC 145 Las celulas del sistema nervioso **Figura 2.** Detalle de una dendrita con sus espinas dendrítias. Éstas tienen una apariencia de diminutos sáculos que se posicionan a lo largo de la dendrita. Parece ser ques estas estructuras podrían participar en el aislamiento de diferentes reacciones químicas que se ponen en marcha mediante algunas formas de activación sináptica. La forma de las espinas es sensible a la cantidad y a tipo de actividad sináptica. Existen diferentes factores vinculados al desarrollo de cerebro que podrían determinar en gran medida el número de espinas en una neurona. ***Orgánulos y partículas citoplasmáticas*** Las neuronas, como cualquier celula de nuestro cuerpo, tienen una membrana citoplasmatica que las separa del exterior y les permite mantener una relacion ordenada con su entorno. La membrana hace que la neurona pueda retener en su interior (el citoplasma) liquidos (principalmente agua), sustancias disueltas y varios organulos responsables de diferentes funciones. Los organulos citoplasmaticos que encontramos en las neuronas son los mismos que en el resto de las celulas, aunque su distribucion es diferente en el soma, dendritas y axon. En toda la neurona podemos encontrar mitocondrias, reticulo endoplasmatico liso y lisosomas. Ademas, en el soma y dendritas, tambien encontraremos ribosomas y reticulo endoplasmatico rugoso. Otros organulos, como el aparato c Editorial UOC 146 Fundamentos de psicobiologia **Figura 3.** La mayoría de las conexiones entre neuronas se establecen entre un botón terminal de una neurona y una espina dendrítica de otra. de Golgi y la sustancia de Nissl, solo se encuentran en el soma (figura 4). Junto con estos organulos, las neuronas tambien tienen un "esqueleto", el **citoesqueleto**, con dos funciones principales: Estructural: da rigidez y forma a la neurona. Transporte: participa en el transporte de sustancias y vesiculas a lo largo de las dendritas y, sobre todo, del axon. El citoesqueleto de las neuronas esta formado por filamentos proteicos: los microtubulos, los microfilamentos y los neurofilamentos o filamentos intermedios. Los microtubulos miden 20 nm de diametro y se posicionan a lo largo de las prolongaciones neuronales. Se componen de filamentos de moleculas de tubulina. Existen unas proteinas (proteinas asociadas a los microtubulos --MAP) que resultan criticas para su estructura y funcion. En la demencia de Alzheimer se ha puesto de manifiesto alteraciones de una MAP axonica denominada TAU. Los microfilamentos, por su parte, miden 5 nm de diametro y se disponen por toda la celula. Se trata de filamentos de moleculas de actina. Tanto los microtubulos como los microfilamentos se desmontan y montan de forma continua en base a diferentes senales intracelulares, esto posibilita las diferentes funciones asociadas al citoesquelelto. Por ultimo, los neurofilamentos miden 10 nm de diametro y estan compuests por subunidades de filamentos proteicos entrelazados. c Editorial UOC 147 Las celulas del sistema nervioso **Figura 4.** Principales orgánulos de una neurona. En la figura podemos observar cómo la membrana del núcleo tiene continuación con el retículo endoplasmático. El transporte de sustancias a lo largo del axon se puede realizar en dos direcciones: **anterógrada** o **retrógrada** (figura 5). El transporte en direccion anterograda implica el movimiento de particulas desde el soma hasta los botones terminales (una proteina denominada *kinexina*, se encarga de mover las particulas del soma al terminal). El transporte en direccion retrograda, por su parte, implica el movimiento de particulas desde el terminal axonico hasta el soma (una proteina denominada *dineína*, se encarga de transporte de las particulas). ***Fibras mielínicas y amielínicas*** Como se ha comentado anteriormente, en las neuronas distinguiamos el soma, las dendritas y el axon. Hay dos tipos de axones: axones o fibras mielinicas y axones o fibras amielinicas. ***Axones mielínicos*** Los axones mielinicos estan recubiertos por una sustancia de tipo graso llamada mielina. La mielina esta formada, principalmente, de lipidos, y, como estos son aislantes, no conduce la corriente electrica. Este envoltorio de mielina recibe el nombre de **vaina de mielina**. La vaina de mielina no es continua, sino que tiene varias interrupciones. Las zonas del axon que no estan rodeadas de mielina se denominan **nódulos** **de Ranvier** y son las unicas zonas que no estan aisladas y en las que el axon se encuentra expuesto al medio extracelular (figura 6). c Editorial UOC 148 Fundamentos de psicobiologia **Figura 5.** Transporte de sustancias entre el soma y el terminal axónico en dirección anterógrada o retrógrada. La zona rodeada de mielina, entre nodulo y nodulo, recibe el nombre **internódulo**. En el sistema nervioso central (SNC), la vaina de mielina esta formada por oligodendrocitos (figura 19). En el sistema nervioso periferico (SNP), la vaina de mielina esta formada por celulas de Schawnn (vease la figura 20). ***Axones amielínicos*** Estan parcialmente recubiertos de mielina. Una unica celula de glia, de Schwann u oligodendrocito (dependiendo de si es sistema nervioso periferico o sistema nevioso central, respectivamente), medio rodea axones de diferentes neuronas, de manera que parte del axon esta recubierto y parte no lo esta. c Editorial UOC 149 Las celulas del sistema nervioso **Figura 6.** Axón mielínico. **Figura 7.** Oligodendrocitos y axones amielínicos. ***1.1.2. Clasificación de las neuronas*** Podemos clasificar las neuronas segun su morfologia y segun su funcion. Segun su **morfología**, podemos distinguir entre neuronas unipolares, bipolares y multipolares (si tenemos en presente el numero de neunitas). **a) Las neuronas unipolares:** Son las neuronas mas simples (figura 8). Predominan en el SN de los invertebrados. ** ** Del soma sale una sola prolongacion (una neurita) que se puede ramificar en muchas ramas. Una de estas sirve de axon, y las demas funcionan como estructuras dendriticas de recepcion. No tienen dendritas que salgan del soma. En mamiferos, las neuronas unipolares son un tipo especial, de las celulas unipolares denominadas **neuronas seudomonopolares**, **seudounipolares** o **neuronas** **en T**. Estas neuronas son de tipo sensorial: la arborizacion que queda fuera del sistema nervioso central constituye las dendritas (figura 9). c Editorial UOC 150 Fundamentos de psicobiologia **Figura 8.** Neurona unipolar. **Figura 9.** Neurona seudounipolar. **b) Las neuronas bipolares** ** ** Del cuerpo celular salen dos prolongaciones (figura 10). En algunas ocasiones, es dificil saber cual de las prolongaciones es el axon y cual, las dendritas. Sin embargo, desde un punto de vista funcional, recordad que las dendritas estan especializadas en recibir informacion de otras neuronas, y el axon, en conducir esta informacion en forma de impulsos nerviosos hasta los botones terminales. Estas neuronas se encuentran principalmente en los sistemas sensoriales, como es el caso de las celulas bipolares de la retina. **c) Las neuronas multipolares** ** ** Es el tipo de neuronas mas comun en el SN de los vertebrados. ** ** Del soma salen el axon y varias ramificaciones dendriticas. Segun la longitud del axon, podemos dividirlas en multipolares, tipo Golgi I (neuronas de proyeccion) y tipo Golgi II (neuronas locales): **Tipo Golgi I**. Neuronas multipolares de axon largo (figura 11). c Editorial UOC 151 Las celulas del sistema nervioso **Figura 10.** Neurona bipolar. **Figura 11.** Neurona multipolar tipo Golgi I de axón largo. Son neuronas multipolares tipo Golgi I las celulas piramidales de la corteza cerebral y las celulas de Purkinje del cerebelo. **Tipo Golgi II**. Neuronas multipolares de axon corto que, por lo tanto, establecen contactos con neuronas proximas (figura 12). Tambien es posible clasificar las neronas en funcion de las dendritas. Segun este criterio existen dos grupos claramente diferenciados: celulas estrelladas (forma de estrella) y celulas piramidales (forma piramidal). Ademas, si tenemos en cuenta las espinas dendriticas, podemos distinguir entre celulas espinosas (con espinas dendriticas) y celulas aspinosas (sin espinas dendriticas). Segun su **función** podemos distinguir entre neuronas sensoriales, motoras e interneuronas. c Editorial UOC 152 Fundamentos de psicobiologia **Figura 13.** Diferentes tipos de neuronas en relación a su morfología y a su ubicacion. **Figura 12.** Neurona multipolar tipo Golgi II de axón corto. **a) Neuronas sensoriales** ** ** Conducen la informacion desde la periferia hasta el SNC, por lo que son fibras aferentes al SNC (figura 15). Una fibra aferente al SNC es una fibra que lleva informacion al SNC. Son, por norma general, neuronas seudomonopolares. **b) Neuronas motoras** ** ** Conducen informacion desde el SNC hasta la periferia (musculos y glandulas), por lo que son fibras eferentes del SNC (figura 16). Una fibra eferente del SNC lleva informacion desde el SNC hasta las celulas efectoras de la periferia. Suelen ser neuronas multipolares Golgi I. **c) Interneuronas** ** ** Es el tipo de neuronas mas abundante, que esta constituido por todas aquellas neuronas que no pertenecen al tipo de las sensoriales ni de las motoras. Estas neuronas procesan informacion localmente y la transmiten de un lugar a otro del SNC. Por ultimo, es necesario tener presente que las neuronas tambien pueen clasificarse por el tipo de substancia neurotransmisora que liberan en la hendidura sinaptica. Este aspecto se estudiara con mayor profundidad en el capitulo III. c Editorial UOC 153 Las celulas del sistema nervioso **Figura 14.** Representación esquemática de las aferencias al SNC. **Figura 15.** Representación esquemática de las eferencias de SNC. **1.2. Las células gliales: tipos y funciones** Como es sabido, el SN no solo esta formado por neuronas, ya que, junto con las neuronas, que son la unidad funcional del SN, encontramos las celulas gliales (o glia). Las celulas gliales son mucho mas abundantes que las neuronas (en el SNC de los vertebrados hay de diez a cincuenta veces mas celulas gliales que neuronas). Las celulas gliales fueron descritas en torno a 1850 por Rudolf Virchow (1821-1902). Las celulas gliales o de soporte se encuentran en torno a las neuronas y desarrollan funciones muy importantes como, por ejemplo, proporcionar **soporte estructural** **y metabólico** a las neuronas. El conjunto de celulas gliales recibe el nombre de **neuroglía**1. La diferencia fundamental entre las neuronas y las celulas gliales radica en la excitabilidad electrica. De este modo, las neuronas son capaces de responder a una estimulacion externa generando una respuesta a modo de potencial de accion, capaz de propagarse a traves de una red neural. Las celulas gliales son incapaces de generar un potencial de accion en su membrana plasmatica. No obstante, hemos de tener presente que no todas las neuronas generan potenciales de accion y que las celulas gliales pueden presentar en sus membranas canales cuya respuesta depende del voltaje. De igual forma, actualmente tenemos suficientes garantias para creer que las celulas gliales tambien participan en la comunicacion que tienen lugar en el sistema nervioso, ya que se han encontrado en las celulas gliales receptores para neurotransmisores. Tal como expondremos posteriormente en el capitulo V, diferentes experimentos han demostrado que, tanto en regiones centrales como en regiones perifericas, la actividad de las neuronas es capaz de inducir corrientes en la membrana y/o senales citosolicas de calcio en las celulas gliales que se encuentran localizadas cerca de los contactos sinapticos entre las neuronas. Ademas, las celulas gliales tambien envian senales a las neuronas, ya que son capaces de liberar sustancias neurotransmisoras como el glutamato y el ATP (Verkhratsky y Butt, 2007). En el sistema nervioso central (SNC) encontramos los tres tipos fundamentales de celulas gliales que exponemos a continuacion: ** ** astrocito, ** ** microglia, ** ** oligodendrocitos. c Editorial UOC 154 Fundamentos de psicobiologia 1\. La palabra *glía* significa 'cola' en griego?' Asi, el termino *neuroglía* querria decir 'adhesivo de las neuronas'. Este nombre fue dado por Rudolf Virchow porque pensaba que estas celulas servian de adhesivo para las neuronas, que las unian para formar el tejido nervioso. Por lo tanto, la principal funcion de las celulas gliales seria estructural, es decir, proporcionar soporte fisico a las neuronas. En el sistema nervioso periferico (SNP) encontramos principalmente celulas de Schawnn. ***1.2.1. Los astrocitos*** Los astrocitos son las celulas gliales mas abundantes y reciben este nombre debido a su forma estrellada. A partir de su cuerpo celular salen multiples extensiones en todas las direcciones (figura 16). Se trata de celulas que tienen un origen neural (proceden del ectodermo) y forman parte del conjunto de celulas giales denominado macroglia. Dentro de este tipo de celulas podemos distinguir los astrocitos propiamente dichos (fibrosos y protoplasmaticos) y las celulas astrogliales (que forman parte de lo que se conoce como glia radial, caracteristica de un cerebro en desarrollo). Despues de los procesos madurativos de la ontogenia temprana del sistema nervioso, la glia radial desaparece de muchas regiones cerebrales y se transforma en astrocitos estrellados. No obstante, una parte de la glia radial permanece en el cerebelo (glia de Bergmann) y en la retina (glia de Muller). Ademas de estos tipos de celulas astrocitarias, tambien podemos encontrar en el sistema nervioso pequenas poblaciones de astroglia especializada localizada en regiones especificas (los astrocitos velados, los astrocitos intralaminares, los tanicitos, los pituicitos y los astrocitos perivasculares y marginales). Ademas, la astroglia tambien incluye diferentes tipos de celulas que se alinean en los ventriculos o en el espacio subretinal (ependimocitos, plexos coroideos y celulas epiteliales del pigmento retinal): Astrocitos fibrosos: estan presentes en la sustancia blanca y se caracterizan por emitir procesos que constituyen "pies terminales" perivasculares y subpiales. c Editorial UOC 155 Las celulas del sistema nervioso **Figura 16.** Célula de astroglía. Astrocitos protoplasmaticos: estan presentes en la sustancia gris y presentan procesos muy finos y complejos. Dichos procesos suelen contactar con vasos sanguineos y neuronas, aunque algunos astrocitos tambien envian procesos hacia la superficie pial. Celulas de Muller de la retina: se trata de celulas que establecen contactos especializados con las neuronas retinales. Celulas de Bergmann: celulas de glia que proyectan sus procesos de la capa de celulas de Purkinje hasta la pia. Astrocitos intralaminares: son celulas especificas del cortex cerebral de los primates. Astrocitos velados: se encuentran en el cerebelo y forman una vaina rodeando a las neuronas granulares. Su funcion concreta es desconocida hoy en dia. Astrocitos perivasculares y marginales: son celulas que se localizan muy cerca de la piamadre, donde generan numerosos pies terminales con los vasos sanguineos. Por regla general no forman contactos con las neuronas. Su principal funcion es formar la membrana limitante glial perivascular y pial y el aislamiento del parenquima nervioso del espacio subaracnoideo y del compartimento vascular. Pituicitos: se trata de celulas astrogliales localizadas en la neurohipofisis. Celulas epiteliales del pigmento retinal. Celulas de los plexos coroideos: producen el liquido cefalorraquideo. Ependimocitos. c Editorial UOC 156 Fundamentos de psicobiologia **Figura 17.** Astrocitos. El pie terminal de las prolongaciones de los astrocitos rodean los capilares sanguíneos y también están en contacto con la membrana neuronal. Tanicitos: se trata de astrocitos especializados localizados en los organos periventriculares (formando las uniones estrechas con los capilares \[barrera sangre- LCR\]), la hipofisis y la parte del rafe de la medula espinal. *Funciones principales de los astrocitos* ** Soporte estructural**: los astrocitos se encuentran entre las neuronas y proporcionan soporte fisico a las neuronas, asi como consistencia al encefalo. ** Separación y aislamiento de las neuronas**: estas celulas fijan las neuronas en un lugar concreto manteniendo una distancia entre ellas para evitar, asi, que se mezclen los mensajes neuronales. ** Captación de transmisores químicos**: los neurotransmisores pueden ser captados y almacenados en los astrocitos. ** Reparación y regeneración**: al contrario que las neuronas, las celulas gliales mantienen su capacidad de dividirse a lo largo de la vida. Cuando se produce una lesion en el SNC, los astrocitos proliferan y emiten un mayor numero de prolongaciones (estos cambios se denominan **gliosis**). Los astrocitos limpian la zona lesionada, ingiriendo y digiriendo los restos de las neuronas mediante fagocitosis; ademas, los astrocitos proliferan para llenar el vacio que c Editorial UOC 157 Las celulas del sistema nervioso **Figura 18.** Astrocitos y los vasos sanguíneos. ha dejado la lesion. Por otra parte, los astrocitos podrian tener un papel muy importante en la regeneracion de las neuronas por el hecho de que liberan varios factores de crecimiento. **Suministro de nutrientes a las neuronas**: parece que los astrocitos podrian ser el enlace entre el sistema circulatorio (en el que se encuentran los nutrientes que las neuronas necesitan) y las neuronas (figura 17). Los astrocitos proporcionan soporte fisico y limpian los restos de las neuronas tras una lesion del tejido nervioso. ***1.2.2. La microglía*** Las microglias son celulas pequenas que se encuentran por todo el SNC (figura 19). Son celulas griales que no tienen un origen neural. Proceden del mesodermo y se originan de macrofagos que invaden el cerebro durante estadios tempranos del desarrollo. *Funciones principales de la microglía* En comparacion con los astrocitos y los oligodendrocitos, este tipo de celula es el mas pequeno. No obstante, tiene funciones tan importantes como: **a)** Fagocitar desechos neuronales (al igual que algunos tipos de astrocitos). **b)** Proteger al SNC frente a microorganismos invasores. **c)** Intervenir en los procesos de inflamacion cerebral despues de una lesion o dano. La microfosforilacion actua como una celula fagocitica y protege el cerebro de microorganismos invasores. c Editorial UOC 158 Fundamentos de psicobiologia **Figura 19.** Célula de microglía. ***1.2.3. Los oligodendrocitos*** Una caracteristica muy importante de este tipo de celula es que unicamente se encuentra en el SNC. Son celulas de origen neural procedentes del ectodermo que forman parte de la categoria de celulas macrogliales. Segun su morfologia podemos distinguir 4 tipos claramente diferenciados: **Oligodendrocitos de tipo I**: producen entre 4 y 6 procesos primarios que se ramifican, y mielinizan entre 10 y 30 axones de diametro estrecho. Se encuentran en el prosencefalo, cerebelo y medula espinal. **Oligodendrocitos de tipo II**: son muy similares a los de tipo I, la diferencia es que fundamentalmente se encuentran solo en sustancia blanca. **Oligodendrocitos de tipo III: tienen in cuerpo celular mucha más grande** c Editorial UOC 159 Las celulas del sistema nervioso **Figura 20.** Un oligodendrocito puede mielinizar segmentos de diferentes axones. **que** los dos primeros y emiten varios procesos primarios. Se localizan en los pedunculos cerebelares, en el bulbo raquideo y en la medula espinal. **Oligodendrocitos de tipo IV**: carecen de procesos y forman una vaina simple de mielina en axones de gran diametro. Se localizan alrededor de las entradas de las raices nerviosas al SNC. **Oligodendrocitos satélites**: estan presentes en la sustancia gris y no participan en la mielinizacion de los axones. Su funcion es desconocida actualmente. *Funciones principales de los oligodendrocitos* En general podemos decir que estas celulas son las encargadas de formar la capa de mielina de los axones del SNC: un solo oligodendrocito puede mielinizar diferentes segmentos de un axon, o bien puede tener diferentes prolongaciones, las cuales, a su vez, pueden formar segmentos de mielina de veinte a sesenta axones diferentes. Ademas, este tipo de celula tiene una funcion protectora sobre los axones no mielinizados, ya que los rodea y los mantiene fijos. Los oligodendrocitos forman la vaina de mielina en el SNC. Hay enfermedades autoinmunitarias que acaban con la capa de mielina. **La esclerosis múltiple** En la esclerosis multiple, por ejemplo, las celulas que forman la mielina no son reconocidas por el organismo como propias y, por consiguiente, son destruidas. Esta enfermedad es progresiva y, segun la cantidad y funcion de las neuronas que pierden la mielina, las consecuencias seran de mayor o menor gravedad. Otro tipo de celulas gliales del sistema nervioso son las **células ependimales**. Estas forman las paredes de los ventriculos en el cerebro y en el canal central de la medula espinal. Se trata de celulas que se encuentran implicadas en la produccion y movimiento del liquido cefalorraquideo, en la formacion de una capa limitante entre los compartimentos celulares del SNC y el SNP, y en el intercambio de sustancias entre los dos compartimentos. Ademas de todas las celulas descritas, se han identificado **células gliales en el SNC** **que expresan NG2**. Este tipo de celulas parecen participar en la formacion de cicatrices gliales junto con los astrocitos. Estas celulas parecen responder rapidamente a los cambios en la integridad neuronal, formando cicatrices gliales o promoviendo la generacion de neuronas, astrocitos u oligodendrocitos, dependiendo de las necesidades y de las senales que reciban. Se trata de un tipo de celulas que establecen multiples contactos tanto con neuronas como con otras celulas gliales. c Editorial UOC 160 Fundamentos de psicobiologia ***1.2.4. Las células de Schawnn*** Las celulas de Schawnn (figura 21) estan localizadas unicamente en el SNP. A diferencia de los oligodendrocitos, estas celulas se enrollan en torno a un segmento de axon y le proporcionan una capa mielinica. En el sistema nervioso periferico (SNP), las celulas de Schawnn realizan las mismas funciones que las diferentes celulas gliales del SNC. Estas funciones son las siguientes: Como los astrocitos, se situan entre las neuronas. Como la microglia, fagocitan los restos en caso de lesion en los nervios perifericos. Como los oligodendrocitos, forman la mielina en torno a los axones, pero en este caso, del SNP. Como hemos mencionado anteriormente, cada celula de Schawnn forma un unico segmento de mielina para un unico axon. Las celulas de Schwann realizan, desde un punto de vista periferico (SNP), las mismas funciones que las celulas gliales del SNC. Otros tipos de celulas gliales del SNP son las celulas satelite de los ganglios simpaticos y sensoriales y las celulas gliales del sistema nervioso enterico del tracto gastrointestinal (Verkhratsky y Butt, 2007). c Editorial UOC 161 Las celulas del sistema nervioso **Figura 21.** En el SNP, cada célula de Schawnn forma un único segmento de mielina para un único segmento de axón. **2. Fisiología de la neurona**2 En el apartado anterior hemos realizado una descripcion de los elementos que forman el sistema nervioso (neuronas y glia), y tambien hemos expuesto sus funciones principales. Hemos dicho que la neurona tiene la capacidad de conducir informacion en forma de impulsos nerviosos y de transmitir esta informacion a otras neuronas (comunicacion interneuronal). A continuacion explicaremos como se conducen los mensajes a lo largo del axon (la comuni cacion intraneuronal). En primer lugar, describiremos como es la membrana neuronal, dado que su naturaleza es especialmente importante para la transmision de informacion. **2.1. La membrana de la neurona** La membrana neuronal es la estructura que define los limites de la neurona, es decir, que separa el liquido del interior de las neuronas (fluido intracelular) del liquido del exterior (fluido extracelular) de estas. La membrana consiste en **una doble capa de moléculas lipídicas** (de tipo graso) en la que flotan y en esta doble capa se encuentran flotando diferentes tipos de **moléculas proteicas** con funciones especiales. Entre estas moleculas es importante que destaquemos la presencia de canales que controlan la accion en el interior de la celula, permitiendo, de esta manera, la entrada de algunas sustancias (por ejemplo, iones) e impidiendo, al mismo tiempo, el paso de otras (figura 22). En la membrana podemos encontrar proteinas en forma de canal que reciben el nombre de **canales iónicos**. Los canales pueden ser de dos tipos: pasivos (siempre estan abiertos) y activos (solo se abren de manera transitoria en determinadas circunstancias). Entre los canales activos, podemos destacar los canales dependientes de ligando (que cambian su permeabilidad en respuesta a la presencia de ligandos, moleculas) y dependientes de voltaje (cuya permeabilidad varia en funcion de cambios en el potencial de membrana). La selectividad ionica resulta una propiedad critica de la mayoria de los canales ionicos. Dicha selectividad queda determinada por el diametro del poro del canal y por la naturalez de los grupos R que lo cubren. c Editorial UOC 162 Fundamentos de psicobiologia 2\. En el estudio de la fisiologia de la neurona ha sido fundamental el descubrimiento del axon gigante del calamar que, gracias a su tamano (0,5 mm) ha permitido que los cientificos pudiesen trabajar "con comodidad"? **2.2. El potencial de membrana** Cuando hablamos de potencial de membrana hacemos referencia a una diferencia de carga electrica que se da entre el interior y el exterior celular, debido a que existen una serie de moleculas (iones) con diferentes cargas (positivas o negativas) que se encuentran en cantidades diferentes en el interior y el exterior celular. Esta distribucion no simetrica de los iones se debe a que la membrana de las celulas es semipermeable y, por tanto, no deja pasar a traves de ella a todas estas moleculas con la misma facilidad. En esta diferencia de carga electrica entran en juego dos fuerzas que son opuestas entre si: una fuerza de caracter quimico, denominada fuerza de difusion, y una fuerza de caracter electrostatico. A continuacion vamos a ver en que consiste cada una de ellas. **a)** La **fuerza de difusión** hace referencia al movimiento que realizan las moleculas para desplazarse de regiones donde se encuentran en altas concentra ciones a regiones de baja concentracion. Por ejemplo, imaginemos que pone- c Editorial UOC 163 Las celulas del sistema nervioso **Figura 22.** Membrana celular. mos una cucharada de azucar en un vaso de agua. Primeramente, el azucar se depositara en el fondo del vaso, pero, a medida que vaya pasando el tiempo, el azucar se dispersara por toda el agua hasta distribuirse homogeneamente. **b)** La **fuerza electrostática** hace referencia a la atraccion o repulsion de las particulas entre si en funcion de su carga electrica. Asi pues, iones con cargas opuestas se atraeran e iones con cargas iguales se repeleran. Por ejemplo, pensemos en los tipicos imanes. Cuando acercamos el lado positivo de un iman al lado negativo de otro hay una gran fuerza que tiende a unirlos rapidamente, por el contrario, cuando acercamos el lado positivo a otro lado positivo notamos una fuerza que repele a los imanes. Por lo tanto, podemos decir que el movimiento de los iones queda influido por los campos electricos. Un aspecto muy importante que hemos de tener en cuenta es que los movimientos ionicos que se dan a traves de la membrana no solo estan determinados por estas dos fuerzas que acabamos de ver, sino que tambien depende de la permeabilidad de la membrana celular. Asi pues, cuando los iones esten separados por una membrana totalmente permeable, la atravesaran libremente con el fin de alcanzar el equilibrio. Por el contrario, cuando los iones esten separados por una membrana semipermeable (como en el caso de las neuronas) los iones que la puedan atravesar se dispondran de forma asimetrica para compensar los iones que no pueden hacerlo, dando como resultado una diferencia de potencial tanto electrico como quimico. Puesto que la membrana de la neurona es semipermeable, los iones que no pue- c Editorial UOC 164 Fundamentos de psicobiologia **Figura 23.** Cuando las moléculas se disuelven en agua, se descomponen en partículas cargadas eléctricamente denominadas iones. Los iones puedenser de dos tipos: caiones (con carga positiva) y aniones (con carga negativa). den atravesarla afectan a la distribucion del resto de los iones; los iones que si que pueden atravesarla se distribuyen de forma asimetrica a los lados de la membrana, de modo que se origina una diferencia de potencial electrico entre los dos lados de la membrana. Esta diferencia de potencial electrico se encuentra en todas las celulas vivas, no solo en las neuronas, y recibe el nombre de **potencial de membrana**. ***¿Cómo es este potencial de membrana?*** En la mayor parte de las celulas, este potencial de membrana se mantiene relativamente estable. En las neuronas, el valor del potencial de membrana puede variar debido a diferentes circunstancias. Cuando una neurona esta en reposo (ni recibe ni conduce informacion), este potencial de membrana se denomina **potencial de reposo**. c Editorial UOC 165 Las celulas del sistema nervioso **Figura 24.** El axón gigante del calamar ha sido fundamental en el estudio de la fisiología de la neurona. Si colocamos un electrodo en el interior del axón gigante del calamar y otro en el exterior en un medio similar al líquido extracelular, podemos registrar con un voltímetro la diferencia de potencial eléctrico, **potencial de membrana**, entre el compartimento intracelular y extracelular. En condiciones de reposo, esta diferencia de potencial se encuentra en torno a los -70mV, y recibe el nombre de **potencial de reposo**. **2.3. El potencial de reposo** Cuando las neuronas no se encuentran activas, es decir, no reciben ni envian informacion, poseen una diferencia de potencial a traves de su membrana de entre --60 y --70 mV (el interior de la celula es negativo con respecto al exte-rior celular, ya que contiene un mayor numero de cargas negativas). En consecuencia, diremos que el potencial de reposo se encuentra entre --60 y --70 mV (figura 24). *¿Qué iones encontramos a ambos lados de la membrana neuronal?* En el fluido intracelular y extracelular hallaremos varios iones importantes: Aniones organicos (A--): principalmente son proteinas con carga negativa Iones de cloro: Cl-- Iones de sodio: Na+ Iones de potasio: K+ Como ya hemos dicho, la distribucion de estos iones a ambos lados de la membrana **no es simétrica**, puesto que la membrana es semipermeable y no permite el paso de algunos de estos iones (figura 25). *¿Cómo se distribuyen estos iones en condiciones de reposo?* Solo encontraremos los aniones organicos en el fluido intracelular. Los otros tipos de iones se encuentran tanto en el compartimento intracelular como en el extracelular, pero su distribucion es desigual: El K+ se encuentra, principalmente, en el fluido intracelular. El Na+ y el Cl-- se encuentran, principalmente, en el fluido extracelular. *¿A qué iones es permeable la membrana en condiciones de reposo?* En condiciones de reposo: ** ** La membrana es mucho mas permeable al K+ que al Na+. ** ** El grado de permeabilidad al Cl-- es intermedio con respecto a los otros dos cationes. La membrana es impermeable al resto de los aniones, los aniones protei cos. Como se recordara, los iones atraviesan la membrana por medio de canales ionicos, esto es, proteinas que atraviesan la membrana celular. La mayoria de c Editorial UOC 166 Fundamentos de psicobiologia los canales son selectivos, es decir, que permiten el paso selectivo de un unico ion. En condiciones de reposo, la membrana es muy permeable al K+, es decir, la membrana tiene muchos canales pasivos para este ion. Asi pues, el K+ puede atravesar la membrana a favor de su gradiente electroquimico (segun las fuerzas quimicas y las electricas) y distribuirse de manera asimetrica contrarrestrando los iones que no la pueden atravesar (en especial los aniones proteicos). El K+ se distribuye tratando de llegar al equilibrio, es decir, aquel momento en el que las fuerzas electricas (que lo empujan a quedarse) y las quimicas (que lo empujan a salir) se igualen. El valor del potencial de equilibrio del K+ es de --90 mV; cuando la diferencia de potencial entre los dos lados de la membrana es de --90 mV, las fuerzas electricas que empujan el K+ hacia el interior son iguales, pero de sentido contrario a las fuerzas que lo empujan a salir. En estas condiciones, el K+ no posee tendencia a difundirse. Sin embargo, el valor del potencial de reposo es de unos --70 mV, y, por tanto, el K+ no se encuentra en equilibrio..Por que? Pues bien, porque, en reposo, la membrana no es totalmente impermeable al Na+ y la pequena entrada de Na+ que se produce contrarresta la salida de K+. c Editorial UOC 167 Las celulas del sistema nervioso **Figura 25.** Concentración de iones en el interior y el exterior de la neurona y fuerzas que actúan en ella. Como hemos visto, en condiciones de reposo la membrana es mas permeable al K+ que al resto de los iones, con lo cual la principal corriente ionica sera la de los iones de K+. El K+ es el ion que, al encontrarse en mas cantidad en el interior celular, tiende a salir hacia el exterior empujado por su gradiente de concentracion. Cuando sale un ion de K+ lo que ocurre es que el interior celular pierde 1 carga positiva y se vuelve mas negativo mientras que, por el contrario, el espacio extracelular se vuelve mas positivo. Por tanto,.que ocurre ahora? La fuerza electrostatica del K+ intenta compensar esa negatividad volviendo a empujar al K+ hacia adentro, con lo cual la tendencia a salir del K+ por difusion se contrarresta con la fuerza electrostatica que empuja al K+ a volver a entrar, generandose una situacion de equilibrio. A lo largo de todo este proceso, el interior celular ha ido acumulando cargas negativas, mientras que el exterior ha ido acumulando cargas positivas. Para compensar este desequilibrio podrian darse diversas situaciones: **a)** Que los aniones organicos (A-) salieran al exterior: este proceso no es posible porque los A￣ no pueden traspasar la membrana celular. **b)** Que entraran iones de Na+: en situaciones de reposo, la membrana no es muy permeable a este ion, por tanto, tampoco es una solucion efectiva. Por consiguiente, al no haber una solucion lo que ocurre es que se da un desequilibrio en la distribucion de cargas electricas entre ambos lados de la membrana, y el resultado que se obtiene es el potencial de reposo. El valor del potencial de membrana depende de la concentracion de iones en el fluido intracelular y extracelular, asi como de la permeabilidad de la mem brana para cada ion. La ecuacion de Goldman nos permite calcular el valor que tendra el potencial de membrana teniendo en cuenta cada una de estas variables: concentracion y permeabilidad de la membrana para cada ion, donde P representa la permeabilidad de la membrana para cada ion, y \[Na+\], \[K+\] y \[Cl--\] son las concentraciones de estos iones en el interior (*int*) y exterior (*ext*) del axon. Si sustituimos estos valores por los que encontramos en situacion de reposo, obtendremos el valor del potencial de reposo. Resulta facil imaginar que cuando alguno de estos valores se modifica, ya sea la concentracion, ya la permeabilidad de alguno de estos iones, la membrana tambien se vera modificada. En resumen: El K+ es el ion que, en condiciones de reposo, se puede distribuir asimetricamente con el fin de compensar los iones que no pueden atravesar la membrana. El K+ intenta llegar al equilibrio determinando el valor del potencial de reposo. c Editorial UOC 168 Fundamentos de psicobiologia **2.4. Bombas iónicas para el mantenimiento de la concentración** **de iones** Como ya hemos comentado, la permeabilidad de la membrana al Na+ es baja mientras que la neurona se encuentra en reposo. No obstante, dado que la membrana no es totalmente impermeable a este ion, y tanto las fuerzas electricas como las quimicas lo empujan hacia el interior, se produce una filtracion de Na+ hacia el interior celular (figura 26). Esta situacion, que aumenta la positividad del fluido intracelular, contribuye a que el K+ tenga tencencia a salir. En teoria, la diferencia de concentracion entre los dos iones tenderia a desaparecer si no existiese **la bomba de Na+- K+** que expulsa iones de Na+ hacia el exterior e impulsa iones de K+ hacia el interior. *¿Qué características tiene la bomba de Na+- K+?* La bomba de Na+K+ es un sistema de transporte activo, que consume energia cuando funciona, y que para cada tres iones de Na+ que expulsa al exterior, hace que entren dos de K+, hecho que favorece la negatividad interior de la celula. Resulta muy importante, contar con mecanismos que ayuden a regular la concentracion externa de K+. Hemos visto que la membrana de una neurona cuando esta se encuentra en reposo es permeable fundamentalmente al K+, asimismo el potencial de membrana resulta ser muy cercano al equilibrio del K+. Dada esta alta permeabilidad c Editorial UOC 169 Las celulas del sistema nervioso **Figura 26.** Bomba de NA+-K+ situada en la membrana neuronal. al K+, como consecuencia resulta que el potencial de membrana es especialmente sensible a las modificaciones en la concentracion extracelular de potasio. Tal como veremos en los proximos puntos, la modificacion del potencial de membrana de un valor de reposo normal a un valor menos negativo recibe el nombre de despolarizacion (ya que se quita polaridad, por ejemplo al pasar de --65mV a --40mV). Debemos tener presente que un aumento de la concentracion de potasio extracelular supone una despolarizacion de la neurona. Hoy en dia sabemos que la barrera hematoencefalica (BHE), que se estudiara en el capitulo 3, limita el movimiento de K+ al espacio extracelular del tejido nervioso. Asimismo, los astrocitos posen elementos capaces de recoger el K+ extracelular a medida que la concentracion de este ion aumenta (por ejemplo, cuando se dan episodios de actividad neural). De este modo, cuando la concentracion exterior de K+ aumenta, los iones de K+ entran en la celula glial a traves de canales de K+ que se emplazan en su membrana, haciendo que esta se despolarice. La entrada de iones de K+ aumenta la concentracion interna de este ion, repartiendose a traves del vasto entramado de extensiones del astrocito. El mecanismo por el cual los astrocitos regulan la concentracion externa de K+, se denomina **amortiguación espacial del K+**. **2.5. Cambios en el potencial de membrana** Ya tuvimos ocasion de ver que existe una diferencia de potencial (potencial de membrana) entre el interior y el exterior celular, de manera que la membrana separa cargas positivas y negativas (figura 27). Asimismo, hemos comentado que cuando la neurona se encuentra en reposo, es decir, cuando no recibe ni transmite informacion, el potencial de membrana recibe el nombre de potencial de reposo. El valor del potencial de reposo oscila entre --60 y --70 mV, y el interior es negativo con respecto al exterior. En este apartado, estudiaremos los cambios que se pueden producir en el mencionado potencial de reposo: el potencial local y el potencial de accion. En primer lugar, nos diponemos a presentar un par de conceptos importantes (figura 28): **Despolarización**. El potencial de membrana tiene un valor menos negativo que el potencial de reposo (por ejemplo, --55 mV). **Hiperpolarización**. El potencial de membrana tiene un valor mas negativo que el potencial de reposo (por ejemplo, --90 mV). Teniendo presente todo lo que hemos estudiado sobre la morfologia de las neuronas y sobre el comportamiento electrico de su membrana, hemos de partir de la idea c Editorial UOC 170 Fundamentos de psicobiologia fundamental de que la diferencia de potencial a lo largo de la membrana neuronal, le proporciona a la neurona la propiedad de comunicacion con otras neuronas (aspecto que se tratara con detalles en el proximo capitulo)..Como el potencial de membrana posibilita la comunicacion entre las neuronas? Lo primero que tiene que quedar claro c Editorial UOC 171 Las celulas del sistema nervioso **Figura 28. a)** Despolarización del potencial de membrana. **b)** Hiperpolarización del potencial de membrana. **Figura 27.** Distribución de la carga eléctrica a través de la membrana. Las cargas desiguales en el interior y el exterior de la neurona se alinean a lo largo de la membrana por la atracción electrostática a través de esta finísima barrera. son las propiedades fisicas pasivas de una neurona y como dichas propiedades influyen sobre el flujo de corrientes en su espacio intracelular, dado que el flujo de las corrientes ionicas se encuentra implicado en todos los aspectos de la comunicacion neuronal. Podemos decir que las neuronas son 'sacos' que contienen un fluido conductor electrico (fluido citoplasmatico o intracelular) y que se encuentra cercado por un aislamiento electrico (la membrana). De esta forma, las neuronas y su ambiente externo se pueden dividir en conductores (citoplasma o fluido intracelular y fluido extracelular) y aislantes (membranas neuronales). Las membranas neuronales presentan una alta y variable resistencia, asi como una habilidad para almacenar cargas electricas de forma breve (capacitancia). Las corrientes pasivas que fluyen a traves de una neurona (debido a las propiedades que acabamos de comentar) podran llegar a un punto determinado del axon de esta (cono axonico) para poner en marcha la activacion sinaptica de la neurona al generar un potencial de accion. La secuencia del proceso puede resultar complicada, no obstante despues de la lectura del capitulo III (que es donde se explican los fundamentos de la comunicacion neural) quedaran solventadas muchas dudas que vayan surgiendo a lo largo de este capitulo. Vamos por partes. En primer lugar, cuando se activa una determinada sinapsis (permitiendo la comunicacion entre dos neuronas) se generan corrientes electricas a lo largo de la membrana celular que se encuentra cerca de la sinapsis. Dichas corrientes generan potenciales locales. Estas corrientes fluyen a lo largo de la membrana en una region localizada, resultando en la conduccion pasiva de la corriente a traves de la neurona (este tipo de conduccion que analizaremos posteriormente, se denomina conduccion electrotonica). Las corrientes pasivas pueden ser despolarizaciones (denominadas potenciales postsinapticos excitatorios, tal como se explicara en el capitulo III), las cuales hacen que el interior de la neurona sea mas positivo y mas susceptible a generar una respuesta sinaptica en la neurona (potencial de accion), o hiperpolarizaciones (denominadas potenciales postsinapticos inhibitorios, tal como veremos en el capitulo III) que hacen el interior de la neurona mas negativo y menos susceptible a poder generar un potencial de accion. Las corrientes pasivas se conducen a traves del citoplasma y pasan por las dendritas y por el soma de la neurona. Si dichas corrientes pasivas son suficientes para hacer que la membrana del inicio del axon se despolarice a un umbral determinado, se pondra en marcha el potencial de accion. Tal como veremos en los proximos apartados, el potencial de accion es un proceso activo de la membrana que implica cambios en la conductancia de esta generados por la abertura y cierre de canales ionicos. No obstante, como resultado se generaran corrientes pasivas que fluiran a lo largo del axon y que se iran regenerando en determinados puntos del mismo. Vamos a analizar con mayor especificidad lo que es un potencial local y los fundamentos electrofisiologicos del potencial de accion c Editorial UOC 172 Fundamentos de psicobiologia ***2.5.1. Potencial local*** Un potencial local consiste en un pequeno cambio en el potencial de membrana que se produce en un punto de la membrana cuando a esta le llega un estimulo debil. Cuando se produce una estimulacion electrica en un punto de la membrana, el numero de cargas positivas y negativas que revisten la membrana en aquel punto sufrira una variacion. **Ejemplo** Si hacemos que pase una pequena corriente electrica por el axon gigante del calamar (figura 31), se producira un potencial local o un potencial de accion dependiente de la intensidad de la estimulacion. Si, a partir del potencial de reposo (--70 mV), el cambio en la diferencia de potencial es menor a 15 mV (entre --70 mV y --55 mV), entonces no se producira un potencial de accion; pero si, por otra parte, el cambio es superior a 15 mV (menor que --55 mV), en tal caso se producira un potencial de accion (no olvidemos que los valores son aproximados). c Editorial UOC 173 Las celulas del sistema nervioso **Figura 29.** Potencial de membrana. **Figura 30.** Cambios en el potencial de membrana. *Características de los potenciales locales* Los potenciales locales se conducen a lo largo de la membrana con perdida de intensidad. Este tipo de conduccion recibe el nombre de conduccion electrotonica; es decir, el potencial local se propaga a zonas adyacentes de la membrana, pero disminuira hasta desaparecer. A medida que este se propaga, se reestablece el potencial de membrana en los puntos anteriores. En definitiva, un potencial local consiste en un pequeno cambio en el potencial de la membrana que se conduce de manera pasiva, con perdida de intensidad (conduccion electrotonica). ***2.5.2. Potencial de acción*** Hasta ahora hemos visto que sucede cuando aplicamos un estimulo debil sobre un punto del axon; pero,.que ocurre cuando la estimulacion que se aplica es de mayor intensidad? Pues que, en este caso, se puede producir un potencial de accion. Los potenciales de accion son los impulsos electricos que utilizan las neuronas para comunicarse. *Características de los potenciales de acción* Los potenciales de accion son cambios en el potencial de membrana que se producen cuando los potenciales locales que fluyen a traves del soma y las dendritas de una neurona, despolarizan hasta un determinado punto (umbral) el inicio del axon (cono de inicio axonico) en un momento temporal determinado. El cambio en el potencial de membrana se produce sin perdida de intensidad. El potencial de accion tiene la capacidad de **autorregenerarse** a lo largo del axon, de manera que la informacion puede viajar largas distancias sin decrecer o perderse. El potencial de accion consiste en un cambio rapido en el potencial de membrana que se conduce de manera activa, sin perdida de intensidad, y que se genera a lo largo del axon. **2.6. El potencial de acción en las neuronas** En los subapartados siguientes, nos proponemos explicar la naturaleza del potencial de accion y como este se conduce a lo largo del axon. c Editorial UOC 174 Fundamentos de psicobiologia ***2.6.1. Características electrofisiológicas*** El potencial de accion consta de tres fases: despolarizacion, repolarizacion e hiperpolarizacion. El proceso completo es el siguiente: La membrana permanece en reposo y recibe un estimulo. Empieza la fase de **despolarización**. El interior pierde negatividad hasta que llega un momento en el que no hay diferencia de potencial. De hecho, incluso el potencial se invierte, es decir, el interior se hace positivo con respecto al exterior. Despues empieza la fase de **repolarización**. El interior recupera su negatividad con respecto al exterior. La ultima fase es la de **hiperpolarización**, en la que el interior presenta un valor mas negativo que el del potencial de reposo. Para acabar, el potencial de membrana recupera el valor del potencial de reposo (figura 31). c Editorial UOC 175 Las celulas del sistema nervioso **Figura 31.** Fases del potencial de acción. ***Fundamentos iónicos del potencial de acción*** Hemos estudiado cuales son las fases del potencial de accion. A continuacion, explicaremos los fundamentos ionicos de dichas fases, es decir, que movimientos realizan los iones mediante la membrana, siendo ellos los responsables de la fase de despolarizacion, repolarizacion e hiperpolarizacion. Cuando se desencadena un potencial de accion, se produce un movimiento de iones a traves de la membrana. Este movimiento de iones se realiza por medio de los canales (proteinas) que se encuentran a lo largo de la membrana (figura 32). Los canales que intervienen en el potencial de accion son canales activos dependientes del voltaje, esto es, su permeabilidad depende del valor del potencial de membrana. Los canales dependientes de voltaje que participan en el potencial de accion son los canales dependientes de voltaje de Na+ y los canales dependientes de voltaje de K+. **Algunos ejemplos de canales dependientes de voltaje** En la membrana del axon encontramos **canales dependientes de voltaje** para diferentes iones, entre los cuales encontramos canales de Na+. Cuando la neurona se c Editorial UOC 176 Fundamentos de psicobiologia **Figura 32.** Canales iónicos. Cuando están abiertos, los iones pueden pasar a través de éstos, entrando o saliendo de la célula. encuentra en reposo (el potencial de membrana esta entre --60 y --70 mV), los canales de Na+ depen dientes de voltaje permanecen cerrados y, por lo tanto, no permiten la entrada de Na+ al interior de la neurona. Estos canales se abren en respuesta a una despolarizacion de la membrana, y su apertura es la responsable de que se desencadene un potencial de accion. **a) ¿Por qué se produce la despolarización durante el potencial de** **acción?** Para que se desencadene un potencial de accion es necesaria una es timulacion intensa que produzca una despolarizacion de la membrana (como ya hemos comentado con anterioridad, de aproximadamente 15 mV). El potencial de accion se desencadena cuando se llega al umbral de descarga, es decir, a un determinado valor de despolarizacion. En este momento, se abren los canales de Na+ dependientes de voltaje: el Na+ se precipita hacia el interior, impulsado tanto por fuerzas quimicas como electricas, y produce una despolarizacion rapida del potencial de membrana. El inicio del potencial de accion se corresponde con un cambio (aumento) en la permeabilidad de la membrana al Na+, debido a la apertura de canales de Na+ dependientes de voltaje. Esta apertura hace que el Na+ se precipite hacia el interior de la celula y despolarice la membrana. Los canales de Na+ dependientes de voltaje se abren con mucha rapidez y se mantienen abiertos durante un pequeno espacio de tiempo (1 ms aproximadamente). Por lo tanto, la conductancia del Na+ aumenta de forma muy rapida, aunque tambien disminuye con similar rapidez. Los iones de Na+ tienden a entrar hasta que consiguen que el potencial de membrana coincida con el valor de su potencial de equilibrio (momento en el que las fuerzas electricas y quimicas para este ion se compensan o contrarrestan). El valor del potencial de equilibrio del Na+ es de 55 mV, sin embargo el potencial de accion tiene un pico (punto de mayor despolarizacion) de +40 mV. Asi pues, el Na+ nunca llega a alcanzar el equilibrio. **b) ¿Por qué el potencial de membrana no llega al valor del potencial de equilibrio** **del Na+?** Porque la conductancia del K+ empieza a aumentar casi al mismo tiempo que empieza a disminuir la conductancia3 del Na+; en consecuencia, el K+ empie- c Editorial UOC 177 Las celulas del sistema nervioso 3\. El termino *conductancia* es muy similar al de *permeabilidad*, aunque no es exactamen te lo mismo. La conductancia, representada por la letra *g*, se usa para describir el flujo de iones a traves de la membrana. La conductancia, por otra parte, no solo depende de la permeabilidad de la membrana a un determinado ion, sino tambien del numero y distribucion a cuyos iones la membrana es permeable. Al inicio del potencial de accion, la conductancia del Na+ aumenta. za a salir de la neurona y compensa la entrada de Na+, lo cual hace que el potencial de membrana no llegue a los +55 mV. **c) ¿Por qué se produce la repolarización?** Cuando aumenta la conductancia del K+ y disminuye la del Na+, la salida de iones de K+ produce la repolarizacion de la membrana, la cual va recuperando su negatividad interna. Los iones de K+ salen impulsados tanto por fuerzas electricas como quimi - cas: ** Fuerzas químicas**. La concentracion de K+ es mayor en el interior y, por lo tanto, estas fuerzas lo empujan a salir. **Fuerzas eléctricas**. La entrada masiva de Na+ ha hecho que el interior adquiera valores positivos. Como el K+ es un cation, las fuerzas electricas tambien lo empujan a salir. La repolarizacion del potencial de accion se produce por la apertura de canales de K+ dependientes de voltaje. Esta apertura hace que el K+ salga de la neurona y repolarice el potencial de membrana. La membrana vuelve a recuperar su valor del potencial de reposo, pero en este momento, el valor de la conductancia del K+ es mas alto que en condiciones de reposo, de manera que el K+ continua saliendo con el objetivo de llegar al valor de su potencial de equilibrio (--90 mV). Los canales de K+ que actuan durante el potencial de accion tambien son canales dependientes de voltaje, que se abren en respuesta a una despolarizacion, y, sin embargo su apertura es mas lenta que la de los de Na+. **d) ¿Por qué se produce la hiperpolarización?** Como acabamos de comentar, cuando la membrana recupera el valor del potencial de reposo, la conductancia del K+ continua siendo elevada, lo cual hace que el K+ continue saliendo de la neurona y provocando la hiperpolarizacion de la membrana. El K+ sigue saliendo porque intenta llegar al valor de su potencial de equilibrio (--90 mV), momento en el que fuerzas electricas y quimicas se contrarrestan. En condicionas de reposo (--70 mV), las fuerzas quimicas que lo empujan a salir son mayores que las electricas que lo empujan a entrar y, por consiguiente, el K+ continua saliendo de la neurona. A medida que la conductancia del K+ disminuye y vuelve a los valores normales, se va recuperando lentamente el valor del potencial de reposo. c Editorial UOC 178 Fundamentos de psicobiologia **Canales de Na+ y canales de K+** Es importante que destaquemos las diferencias entre los canales de Na+ dependientes de voltaje y los canales de K+ dependientes de voltaje que participan en el potencial de accion. Mientras que los canales de Na+ se abren y cierran con rapidez en respuesta a la despolarizacion, los canales de K+, que tambien se abren con mas lentitud y no se cierran hasta que la membrana esta repolarizada. Durante el potencial de accion, la bomba de Na+K+ no "funciona". La bomba se pone en marcha cuando se ha acabado el potencial de accion, para, de este modo, restablecer las concentraciones ionicas iniciales. Su funcion es la de sacar los iones de Na+ que han entrado durante el potencial de accion, e introducir los de K+ que han salido. Asi pues, despues de un potencial de accion, la bomba de Na+K+ aumenta su actividad para restablecer las concentraciones ionicas alteradas tras el potencial de accion. En la figura 33 se muestran los fundamentos ionicos del potencial de accion. A modo de resumen, podriamos decir que los movimientos ionicos que se producen durante el potencial de accion son los siguientes: **1)** Llegada de un estimulo intenso que despolariza la membrana. **2)** Se abren los canales de Na+. c Editorial UOC 179 Las celulas del sistema nervioso **Figura 33.** Flujos de iones durante el potencial de acción. **3)** El Na+ entra masivamente empujado tanto por las fuerzas quimicas como por las electricas. **4)** El interior celular se despolariza, es decir, se vuelve mas positivo. **5)** El estado de despolarizacion provoca que se abran los canales de K+ y este sea empujado hacia el exterior tanto por las fuerzas quimicas como por las electricas. Posteriormente se cierran los canales de Na+ y empieza a recuperarse el valor del potencial de reposo. **6)** Cuando se va recuperando el valor de potencial de reposo, se cierran los canales de K+. **7)** La prolongada hiperpolarizacion del potencial de membrana antes de llegar al valor de reposo se debe al hecho de que, en esta fase, la permeabilidad de la membrana al paso de los iones de K+ es mayor que la que presenta en estado de reposo; de manera que estos iones se acumulan momentaneamente en el exterior de la membrana celular. Esto aumenta la diferencia de potencial entre ambos lados de la membrana. La distribucion de estas cargas electricas positivas por el espacio extracelular y, sobre todo, la captacion de estos iones por parte de los astrocitos disminuye la presencia de cargas positivas en el exterior, por lo que tambien disminuye la diferencia de potencial entre ambos lados de la membrana y permite que el potencial de membrana adopte el valor caracteristico negativo de --70mV de la situacion de reposo. **8)** Cuando se acaba el potencial de accion, se pone en marcha la bomba de Na+-K+ para restablecer el equilibrio ionico (expulsar el Na+ hacia el exterior y el K+ hacia el interior). ***2.6.2. Codificación de la información*** El potencial de accion es la unidad basica del lenguaje, la forma en que el SN codifica y transmite informacion. El potencial de accion es la unidad basica de transmision de informacion en el SN. Como ya hemos dicho, para que se produzca un potencial de accion, la estimulacion tiene que despolarizar la membrana hasta que llegue al umbral de descarga, momento en el que se abren los canales de Na+ dependientes de voltaje. ***¿Cómo codifica el sistema nervioso la intensidad de la estimulación?*** El potencial de accion sigue la ley del "todo o nada", que postula que un potencial de accion se da o no se da. Si se desencadena, se transmitira a lo largo de todo el axon conservando siempre el mismo tamano o intensidad. Por lo tanto, la intensidad del potencial de accion no depende de la intensidad de la estimulacion. Si la estimulacion no produce una despolarizacion que llegue al umbral de descarga, no se producira el potencial de accion. Asi pues, el potencial de accion se da siempre con toda su amplitud (llega siempre a los +40 mV, aproximadamente). c Editorial UOC 180 Fundamentos de psicobiologia La intensidad de la informacion se codifica variando la frecuencia de los potenciales de accion. A medida que la estimulacion aumenta, la neurona va disminuyendo el tiempo que transcurre entre los potenciales de accion que genera. **Ejemplo** Si un estimulo es de 5 mV, la neurona genera 10 potenciales de accion por segundo mientras que dura la estimulacion. Cuando el estimulo es de 10 mV, la neurona producira 20 potenciales de accion por segundo, y asi sucesivamente hasta que llegue a un limite que no pueden sobrepasar (cerca de los 1.000 potenciales de accion por segundo). En consecuencia, la informacion que recibe la neurona se codifica mediante frecuencia modulada, es decir, modificando la frecuencia de los potenciales de accion: cuanto mayor es la intensidad del estimulo, mas frecuencia de potenciales de accion hay (figura 34). ***Periodos refractarios*** Cuando en un punto de la membrana se ha producido un potencial de accion, no puede volver a producirse otro en el mismo lugar inmediatamente, sino que tiene que transcurrir un determinado periodo de tiempo. c Editorial UOC 181 Las celulas del sistema nervioso **Figura 34.** Tasa de la frecuencia de los potenciales de acción en función de la intensidad del estímulo aplicado. ** Periodo refractario**: es el tiempo que tiene que transcurrir tras un potencial de accion para que un estimulo umbral sea capaz de producir un nuevo potencial de accion en el mismo punto. **Periodo refractario absoluto**: es la parte del periodo refractario en la que por muy alta que sea la intensidad del estimulo no se produce un potencial de accion. ** Periodo refractario relativo**: es la parte del periodo refractario en la que, si la estimulacion es lo suficientemente intensa (por encima del estimulo umbral), se consigue producir un nuevo potencial de accion; por lo tanto, es un periodo en el que el umbral de descarga es mas elevado. Tras un potencial de accion, en el periodo refractario los canales de Na+ dependientes de voltaje se mantienen inactivos durante un periodo de tiempo, en el transcurso del cual no pueden volver a abrirse. Si los canales de Na+ dependientes de voltaje no se pueden abrir, tampoco se puede volver a desencadenar un potencial de accion. ***2.6.3. Conducción*** En los subapartados que se siguen estudiaremos como se transmite la informacion a lo largo del axon y que variables influyen en la velocidad de esta conduccion. En condiciones fisiologicas, el axon conduce la informacion desde el extremo mas proximo al cuerpo celular hasta el extremo de los botones terminales (**dirección** **ortodrómica**). Sin embargo, el axon tambien cuenta con la capacidad de conducir los potenciales de accion en direccion opuesta (**dirección anti drómica**) (figura 35). c Editorial UOC 182 Fundamentos de psicobiologia **Figura 35.** Si aplicásemos un estímulo en el dentro del axón, el potencial de acción generado se podría conducir en dos direcciones, ortodrómica y antidrómica. Debemos tener presente que, en condiciones fisiológicas esto no sucede porque el potencial de acción se inicia en la zona del axón más cercana al cuerpo celular, el segmento inicial. A continuacion, explicaremos como se conduce el potencial de accion en fibras amielinicas y mielinicas. ***Conducción del potencial de acción en fibras amielínicas*** Si aplicamos un estimulo umbral en un punto de la membrana, se produce un potencial de accion y, por lo tanto, entran iones de Na+ al interior de la neurona. Estos iones positivos que han entrado daran lugar a una corriente de iones al ser atraidos por las zonas negativas adyacentes del interior del axon. Este movimiento de iones positivos a las regiones vecinas producira, en estas zonas, una despolarizacion de la membrana que desencadenara un nuevo potencial de accion. Este nuevo potencial de accion implicara la entrada de iones de Na+, de manera que se repetira todo el proceso. Por lo tanto, el potencial de accion se conduce a lo largo del axon y se autorregenera en cada punto de la membrana. ***Conducción del potencial de acción en fibras mielínicas*** En las fibras mielinicas, la membrana del axon se encuentra rodeada por la mielina y, por lo tanto, no esta en contacto directo con el liquido extracelular, lo cual hace que el intercambio de iones entre el fluido intracelular y el extracelular, caracteristico del potencial de accion, solo tenga lugar en las zonas del axon que no estan rodeadas de mielina, es decir, en los nodulos de Ranvier. Asi pues, el potencial de accion en las fibras mielinicas solo se puede producir en los nodulos de Ranvier. c Editorial UOC 183 Las celulas del sistema nervioso **Figura 36.** Conducción del potencial de acción en fibras amielínicas. El potencial de acción se autorregenera en cada punto de la membrana. Si aplicamos un estimulo umbral, se produce un potencial de accion en un nodulo de Ranvier. Este potencial de accion implica la entrada de Na+, que dara una corriente local de iones que afectara a las zonas vecinas (las cargas positivas son atraidas por las negativas vecinas). Sin embargo, en este caso, las zonas vecinas mas proximas no podran generar un potencial de accion, porque, al estar cubiertas de mielina, no permiten la entrada de iones de Na+ desde el fluido extracelular, de manera que las corrientes locales se veran obligadas a circular hasta el proximo nodulo de Ranvier. A pesar del aumento de distancia que debe recorrer la corriente local, y, en consecuencia, aunque se haya debilitado, cuando la despolarizacion llegue al proximo nodulo de Ranvier tendra la fuerza suficiente como para despolarizar la membrana hasta el umbral y desencadenar un nuevo potencial de accion (figura 37). Los potenciales de accion en axones mielinicos solo se autorregeneran en los nodulos de Ranvier. Asi pues, mientras que en las fibras amielinicas la conduccion del potencial de axon es continua (se produce en cada punto del axon), en las fibras mielinicas se conduce de nodulo a nodulo y recibe el nombre de **conducción saltatoria**. Es preciso que hagamos hincapie en el hecho de que en las fibras mielinicas los canales de Na+ controlados por voltaje y las bombas de Na+K+ (necesarias para restablecer concentraciones ionicas) solo se encuentran en los nodulos de Ranvier. c Editorial UOC 184 Fundamentos de psicobiologia **Figura 37.** Conducción del potencial de acción en fibras amielínicas. El potencial de acción sólo se regenera en los nódulos de Ranvier. ***¿Qué ventajas tiene la conducción saltatoria de las fibras mielínicas?*** ** ** Pues que la **velocidad de conducción** es mayor, debido a que se reducen las corrientes ionicas trasmembrana, es decir, el intercambio de iones entre los fluidos intracelular y extracelular. La conduccion entre nodulos es muy rapida, al producirse corrientes locales de iones que se desplazan tanto por el interior como por el exterior de la membrana, pero sin intercambio entre ambos fluidos. La otra ventaja es **económica**. La conduccion saltatoria requiere menos energia. Como consecuencia de que hay menos intercambio de iones entre fluidos intracelular y extracelular, la bomba de Na+-K+ tambien tendra que trabajar menos (recordad que esta bomba consume energia cuando funciona). ***Velocidad de conducción de los potenciales de acción*** La velocidad de conduccion del axon depende de las dos variables que apuntamos a continuacion: ** Diámetro del axón**. La velocidad de conduccion del axon es directamente proporcional al diametro del axon (a mas diametro, mas velocidad). La propiedad de conduccion rapida sin aumentar el tamano del diametro del axon es una gran ventaja, puesto que no solo permite enviar el mensaje con rapidez, sino tambien que, en lugar de existir una unica fibra de grandes dimensiones que envia informacion, hay muchas mas de menor tamano enviando la informacion. En los mamiferos, la velocidad de conduccion puede variar entre 0,5 m/s y 120 m/s. **Mielinización**. La velocidad de conduccion es mayor en fibras mielinicas. Las fibras mielinicas rara vez tienen un diametro superior a 20 μm y, con todo, en mamiferos, su velocidad de conduccion es diez veces mayor que la de las fibras de 600 μm de diametro del axon gigante del calamar. Podriamos decir que la mielinizacion es la estrategia de los vertebrados para aumentar la velocidad de conduccion. Asimismo, debemos destacar que la velocidad de conduccion tambien se encuentra directamente relacionada con el grosor de la vaina de mielina (cuanto mas gruesa, mas velocidad). c Editorial UOC 185 Las celulas del sistema nervioso