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Integración y control II: el sistema nervioso

Evolución de los sistemas
nerviosos

Organización del sistema
nervioso de los
vertebrados

El impulso nervioso
Las sinapsis

El potencial eléctrico a través de la membrana del axón se mide con microelectrodos conectados a un osciloscopio.

Capítulo 47. Integración y control II: el sistema nervioso

El impulso nervioso

La conducción nerviosa está asociada con fenómenos eléctricos. La diferencia en la cantidad de carga eléctrica entre una región de carga positiva y una región de carga negativa se llama potencial eléctrico §. Casi todas las membranas plasmáticas § tienen una diferencia de potencial eléctrico -el potencial de membrana §- en el que el lado interno de la membrana es negativo respecto al lado externo.

La transmisión del impulso nervioso es diferente de una corriente eléctrica: el impulso nervioso no experimenta disminución entre los extremos del axón; es mucho más lento que una corriente eléctrica y, a diferencia de ésta, la intensidad del impulso siempre es la misma: o bien no hay impulso nervioso en respuesta a un estímulo de una fibra nerviosa §, o hay una respuesta máxima.

a) Cuando ambos electrodos están fuera de la membrana, no se registra ninguna diferencia de potencial. b) Cuando un electrodo se coloca dentro de la membrana, el interior de la neurona es negativo con respecto al exterior y la diferencia entre los dos es de aproximadamente 70 milivoltios. Este es el potencial de reposo. c) Al estimular un axón, el impulso nervioso se propaga a lo largo de él; cuando alcanza la región en donde se encuentran los microelectrodos, el osciloscopio muestra una breve inversión de la polaridad: el interior se hace positivo en relación con el exterior. Esta breve inversión en la polaridad es el potencial de acción.

El interior de la membrana está cargado negativamente con respecto al exterior. Esta diferencia de voltaje - la diferencia de potencial- constituye el llamado potencial de reposo § de la membrana. Cuando el axón es estimulado, el interior se carga positivamente con relación al exterior. Esta inversión de la polaridad se denomina potencial de acción §. El potencial de acción que viaja a lo largo de la membrana constituye el impulso nervioso §.

Los potenciales de acción registrados para una misma neurona casi siempre son iguales. La única variación -aunque crítica- es la frecuencia, es decir, el número de impulsos nerviosos que se producen en un tiempo determinado; la frecuencia es directamente proporcional a la intensidad del estímulo.

Además de la medición de la actividad de las neuronas, actualmente es posible registrar, en forma macroscópica, la actividad cerebral por métodos no invasivos, por medio de técnicas como la tomografía por emisión de positrones o la resonancia magnética funcional que permiten determinar qué zonas del cerebro están más o menos activas en base a cambios en distintos parámetros fisiológicos cuando se realizan tareas específicas (sensoriales, motoras o cognitivas). Esta actividad general se correlaciona con la de las neuronas individuales, la cual es determinada con microelectrodos colocados a ambos lados de la membrana neuronal.

El potencial de acción depende del potencial eléctrico neuronal, que, a su vez, es posible por las diferencias en la concentración iónica a cada lado de la membrana. En los axones, las diferencias críticas de concentración involucran iones potasio (K+) e iones sodio (Na+).

La distribución de los iones a ambos lados de la membrana es característica y es gobernada por tres factores: 1) la difusión de partículas a favor de un gradiente de concentración, 2) la atracción de partículas con cargas opuestas y la repulsión de partículas con cargas iguales y 3) las propiedades de la propia membrana.

La bicapa lipídica de la membrana del axón es impermeable a los iones y a la mayoría de las moléculas polares, por lo que el movimiento de partículas a través de la membrana depende de proteínas que proporcionan canales que las partículas pueden atravesar por difusión facilitada o por transporte activo. Los iones son específicos, particularmente Na+ y K+. Otro rasgo significativo de la membrana del axón es la presencia de una proteína integral de membrana -la bomba de sodio-potasio- que bombea iones Na+ hacia afuera del axón e iones K+ hacia adentro.

Axón en estado de reposo.

En la bicapa lipídica del axón hay proteínas integrales de membrana que actúan como canales, por los que los iones K+ y Na+ se pueden desplazar entre el citosol de los axones y el líquido intersticial externo. Los distintos tipos de canales son el canal de escape de Na+ y el canal de escape de K+ permanecen siempre abiertos, y durante el estado de reposo permiten la difusión de los iones hacia adentro y hacia fuera del axón siguiendo su gradiente de concentración. Los canales de Na+ y los canales de K+ regulados por voltaje permanecen cerrados durante el estado de reposo. La bomba Na+/ K+ bombea 3 iones Na+ hacia fuera del axón por cada 2 iones K+ bombeados hacia adentro. La concentración de iones K+ es mucho mayor en el citosol que en el líquido intersticial. Por lo tanto, los iones K+ difunden hacia fuera del axón a través de los canales de escape de K+, a favor de su gradiente de concentración. Los iones más grandes, cargados negativamente, no pueden acompañar a los iones K+ en su camino hacia fuera del axón. En consecuencia, el interior del axón se carga negativamente en relación al exterior. La bomba Na+/ K+ extrae rápidamente iones Na+ del axón, a la vez que aumenta la concentración de iones K+ por el bombeo de esos iones hacia el interior. Con ello se mantienen las diferencias de concentración de las que depende el potencial de la célula en reposo.

La membrana axónica está polarizada, el interior es más negativo que el exterior, lo que determina el potencial de reposo. Esto es lo que hace posible la generación de un potencial de acción. La carga negativa en el interior del axón atrae un cierto número de iones K+ y Na+ que se dirigen hacia el interior del axón por sus respectivos canales de escape. Los iones Na+ se extraen rápidamente del axón gracias a la bomba Na+/ K+, a la vez que aumenta la concentración de iones K+ por el bombeo de esos iones. Con ello se mantienen las diferencias de concentración de las que depende el potencial de la célula en reposo.

El potencial de acción.

Una porción de la membrana se vuelve momentáneamente muy permeable a los iones Na+ mediante la apertura de canales dependientes de voltaje. Cuando se abren los canales de Na+, los iones pasan precipitadamente al interior y la polaridad de la membrana se invierte. A continuación, aunque no se observa en esta figura, se abren los canales de potasio regulados por voltaje y se inactivan los de sodio regulados por voltaje, lo que lleva a una repolarización de la membrana y al eventual reestablecimiento del estado de reposo. b) Gráfico de un potencial de acción y los movimientos iónicos asociados.

Un aspecto importante del impulso nervioso es que, una vez iniciado, la inversión transitoria de la polaridad continúa moviéndose a lo largo del axón, renovándose continuamente.

El potencial de acción se autopropaga porque en su pico, cuando el interior de la membrana en la región activa es comparativamente positivo, los iones cargados positivamente se mueven desde esta región al área adyacente dentro del axón, que todavía es comparativamente negativa. Como resultado, el área adyacente se despolariza o, sea, se hace menos negativa. Esta despolarización abre los canales de Na+ activos y regulados por voltaje, que permiten que los iones Na+ entren precipitadamente. El incremento resultante en la concentración interna de iones Na+ despolariza la siguiente área contigua de la membrana, haciendo que sus canales iónicos de Na+ se abran y permitiendo que el proceso se repita. Como consecuencia de este proceso de renovación, que se repite a lo largo de toda la membrana, el axón -un conductor muy pobre de la corriente eléctrica- es capaz de conducir un impulso nervioso a una distancia considerable sin que cambie en absoluto la intensidad. El impulso nervioso se mueve en una sola dirección porque el segmento del axón situado "detrás" del sitio donde se produjo el potencial de acción tiene un período refractario breve durante el cual sus canales iónicos de Na+ no se abrirán; así, el potencial de acción no puede retroceder.

Los axones largos de los vertebrados generalmente están envueltos en vainas de mielina, formadas par células de la glia especializadas. La vaina de mielina hace que la propagación del impulso nervioso sea mucho más rápida en los vertebrados que en los invertebrados.

Fibras con y sin vaina de mielina.

a) En una fibra sin vaina de mielina, toda la membrana del axón está en contacto con el líquido intersticial. Todas las partes de la membrana contienen canales y bombas de sodio-potasio. b) En una fibra mielinizada, en cambio, solo están en contacto con el líquido intersticial las zonas de la membrana axónica correspondientes a los nodos de Ranvier. Prácticamente todos los canales iónicos y bombas de sodio-potasio se concentran en estas zonas. Así, los potenciales de acción se pueden generar solo en los nodos y el impulso nervioso salta de nodo en nodo, acelerándose la conducción.

 

Autoevaluación del capítulo 47

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