Conducción nerviosa

19.2.1 Estructura de las células nerviosas. Excitabilidad

En la sección anterior se han revisado las características de los flujos iónicos a través de la membrana celular que, bajo las condiciones y meca- nismos allí especificados, dan lugar a la existencia de un potencial de mem- brana estacionario conocido como “potencial de reposo”. Dicho valor “de reposo” puede ser alterado por diferentes excitaciones procedentes del entorno, lo que constituye la base de cualquier sistema sensorial, tanto en organismos unicelulares como en células de organismos pluricelulares.

Existen diversos sensores capaces de detectar estímulos diferentes, ya sea de tipo químico, mecánico, térmico o electromagnético, que representan el eslabón primario de los “sentidos”. La activación de los diferentes sen- sores provoca cambios en el potencial de membrana respecto a su valor de reposo, lo que constituye el mecanismo de excitación celular básico. En los organismos superiores el proceso de excitación es seguido por un proceso de transferencia y procesado de dicha información, altamente sofisticado, gracias a una red de células especializadas que constituyen el sistema ner- vioso y cuya unidad funcional es la neurona.

Una neurona típica (fig. 19.10) está compuesta por un cuerpo celular o soma, que contiene el núcleo y del que irradian unas prolongaciones carac- terísticas, las dendritas y el axón. Las dendritas son en general cortas y están profusamente ramificadas. El axón, generalmente único y de gran longitud, puede estar ramificado en su parte final. Por ejemplo, en el ser humano algunos axones conectan directamente sus extremidades con la médula espinal, con lo que su longitud puede superar el metro.

Las dendritas son generalmente los receptores de los estímulos más habituales que llegan a la neurona, dando lugar a cambios del potencial de membrana en los puntos de recepción. Los potenciales generados por dife rentes estímulos se propagan hacia la región del soma, sumándose y, eventualmente, generando un “impulso nervioso” que se transmite a través del axón. Este axón establece contactos fisiológicos con otras células ner­ viosas (o de otro tipo) denominados sinapsis. La comunicación se hace nor- malmente por medios químicos, gracias a la intermediación de sustancias neurotransmisoras específicas, que salvan el espacio intercelular, denomi- nado hendidura sináptica. En una célula nerviosa típica existen unas 10.000 conexiones, aunque, en algunos casos, como las células de Purkinje en el cerebelo, su número puede ascender a 150.000.

La membrana celular y el impulso nervioso 93

Fig. 19.10. Representación de una célula nerviosa típica mostrando el cuerpo celular con el

núcleo, las dendritas y el axón, así como la conexión (sinapsis) con otra célula nerviosa.

El diámetro de los axones depende de su función específica, variando típi- camente entre 2 µm y 20 µm, aunque pueden alcanzar valores muy superiores. Así, el axón gigante del calamar (Loligo pealei), que controla el movimiento del manto del animal, llega a tener una longitud de unos 30 cm y un diámetro del orden de 1 mm. Ésto le convierte en sujeto idóneo para la investigación experimental, facilitando la inserción de microelectrodos para la detección de las variaciones de potencial y corriente eléctrica asociadas con los impulsos nerviosos, habiendo sido utilizado en muchos experimentos clave en este campo, en particular en aquellos desarrollados por Hodgkin y Huxley, que condujeron al desarrollo del modelo del potencial de acción en la propagación del impulso nervioso, por el que recibieron el premio Nobel de Fisiología y Medicina en 1963.

94 Fundamentos físicos de los procesos biológicos

Fig. 19.11. El axón gigante del calamar (Loligo pealei), que controla el movimiento del

manto del animal, llega a tener una longitud de unos 30 cm y un diámetro del orden de 1 mm, es decir, unas 100 veces superior al diámetro de un axón de mamífero (φ ~ 10 μm).

En los vertebrados, los axones de algunas células nerviosas están recu- biertos por una capa aislante, la mielina, que procede de las células gliales: oligodendrocitos en el sistema nervioso central y células de Schwann en el sistema nervioso periférico. Los oligodendrocitos emiten varias prolonga- ciones, cada una de las cuales envuelve concéntricamente al axón, lo que también hacen, de forma similar, las células de Schwann (fig. 19.12). El recu- brimiento de mielina así formado no es continuo a lo largo del axón, sino que está interrumpido por los nodos de Ranvier, cada uno de aproximadamente 1 µm de longitud, donde el axón está en contacto con el medio extrace- lular. La distancia entre nodos de Ranvier puede oscilar entre 1 y 2 mm dependiendo del tamaño del axón. La vaina de mielina generada por el arrollamiento de las células gliales da lugar a un aumento del espesor del recubrimiento del axoplasma, en torno a un factor 200, respecto al espesor típico de la membrana celular (∼ 10‒2 _{µm). Esto afecta a las propiedades eléc-}

tricas del axón, concretamente aumentando su resistencia y redu ciendo su capacidad eléctrica en aproximadamente ese mismo factor, lo que repercute en las características de propagación del impulso nervioso, que se diferencia muy notablemente en las fibras nerviosas con recubrimiento de mielina (vertebrados) respecto a aquellas que carecen de este (invertebrados) como veremos más adelante.

La membrana celular y el impulso nervioso 95

Fig. 19.12. Representación de un axón recubierto de mielina. (a) El recubrimiento se inter-

rumpe cada 1­2 mm en los nodos de Ranvier, donde el axón está en contacto con el fluido extracelular. (b) El recubrimiento procede de las células gliales (oligodendrocitos y células de Schwann) que se arrollan en espiral en torno al axoplasma, aumentando el espesor efectivo de

la membrana del axón, con el consiguiente cambio en sus características eléctricas.

19.2.2 El impulso nervioso. Potencial de acción

Las células nerviosas se comunican entre sí por medio de impulsos nervio sos, cuyo elemento fundamental lo constituye un breve cambio (del orden de unos milisegundos) en el potencial de membrana del axón, que recibe el nombre de potencial de acción. El estímulo puede producirse, de forma natural, debido a la llegada a las dendritas de señales procedentes de otras neuronas, o mediante estimulación artificial a partir de microelectrodos insertados en el axón. En el caso de excitación natural, las señales recibidas por las dendritas (que pueden ser excitadoras o inhibidoras) son integradas en el cuerpo celular hasta alcanzar la “zona de disparo” (situada en un punto cercano a la unión del axón con el cuerpo de la neurona), donde se genera el impulso que se propaga a través del axón hasta sus ramificaciones finales, donde se produce la conexión sináptica con otras células.

Por tanto, en el estudio del impulso nervioso cabe distinguir dos aspectos bien diferenciados: la generación del potencial de acción propiamente dicho

96 Fundamentos físicos de los procesos biológicos

(que estudiaremos en esta sección) y su transmisión a lo largo del axón (que se estudiará en la sección siguiente).

Consideremos en primer lugar el desarrollo del potencial de acción como un fenómeno local, es decir, el cambio del potencial de membrana, en función del tiempo, que se desarrolla en aquel punto donde se produce la estimulación del axón.

El estímulo consiste en un cambio del potencial de membrana respecto a su valor de reposo (V_reposo). Recordemos que dicho potencial es negativo respecto al fluido extracelular, cuyo valor se toma como cero. Si el estímulo es tal que el potencial de membrana aumenta (se hace menos negativo) se dice que la célula se despolariza, mientras que si el estímulo provoca una disminución del potencial (se hace más negativo) se dice que se produce una hiperpolarización (fig. 19.13).

Una primera característica importante en la respuesta de las células nerviosas es la existencia de un potencial umbral para el desarrollo del potencial de acción. Cuando la membrana es despolarizada débilmente, la membrana recobra al poco tiempo el valor del potencial de reposo (zona I de la figura 19.13) por la acción de los flujos iónicos habituales, estudia dos en la sección anterior. Sin embargo, si el estímulo es suficientemente intenso y la despolarización de la membrana sobrepasa un valor umbral (V_umbral), se activa la apertura de canales iónicos en la membrana del axón (impli- cando fundamentalmente a los iones Na+ _{y K}+_{), provocando cambios en la}

permeabilidad que generan variaciones muy notables en el potencial de membrana, tal como se muestra en la zona II de la figura 19.13, que llega a cambiar de polaridad (haciéndose positivo), para retornar posteriormente al valor de reposo al cabo de un intervalo de tiempo típico de algunos milisegundos. Este cambio de potencial de membrana es lo que se conoce como potencial de acción y su propagación a lo largo del axón da lugar al impulso nervioso. El valor máximo del potencial de acción es constante e independiente del valor de la excitación, siempre que ésta haya sobre- pasado el valor umbral.

La membrana celular y el impulso nervioso 97

Fig. 19.13. Evolución temporal del potencial de membrana como respuesta a un estímulo

débil (I) y a un estímulo que sobrepasa el potencial umbral para el “disparo” del potencial de acción (II).

El desarrollo del potencial de acción y su relación con los flujos iónicos a través de la membrana se detalla en la figura 19.14. En dicha figura se han uti- lizado valores del potencial de membrana correspondientes al axón gigante del calamar. Los potenciales de membrana para otros axones pueden variar ligera- mente, pero el comportamiento cualitativo del potencial de acción es similar.

Inicialmente el potencial de membrana del axón corresponde al potencial de reposo cuyo valor se sitúa en torno a unos –65 mV, valor próximo, aunque algo superior, al potencial de Nernst del K+ _(V

K+ ≈ –75 mV). Si se produce una

excita ción que sobrepasa el valor del potencial umbral (V_umbral ~ –55 mV) se activa la apertura de canales de Na+ _{en la membrana del axón, cuya permea-}

bilidad (conductividad) a estos iones se incrementa en un valor superior a 103

(fig. 19.14.b). Como el potencial de membrana es negativo, se produce un flujo de iones Na+ _{al interior, favoreciendo aún más el incremento del potencial de}

membrana, que llega a cambiar de polaridad y tomar valores positivos. El valor máximo alcanzado se encuentra en torno a unos +30 mV, relativamente próximo al potencial de reposo del Na+ _(V

Na+≈ +67 mV), ya que su permeabilidad es ahora

dominante.

Al aproximarse el potencial de membrana al valor del potencial de Nernst del sodio, el flujo de éste disminuye. Simultáneamente, la permeabilidad de

98 Fundamentos físicos de los procesos biológicos

la membrana a este ion recupera los valores habituales (se cierran los canales de Na+_{), mientras que se incrementa ahora (en un factor del orden de 30) la}

permeabilidad de la membrana a los iones K+_{, debido a la apertura de otros}

canales específicos para este ion. Como el axón está despolarizado (el inte- rior está cargado positivamente), los iones potasio fluyen al exterior (fig.19.14.b) y esto provoca la repolarización de la membrana que recupera un potencial de membrana negativo. De hecho, durante la salida de iones K+ _{se alcanza un}

potencial próximo al potencial de Nernst del K+_{, lo que supone una hiperpo­}

larización, es decir, un potencial de membrana algo más negativo que el de

reposo. Esto garantiza un periodo latente, ya que la proteína de canal pasa a un estado “cerrado inactivo” que no permite la generación de un nuevo potencial de acción. Este estado se mantiene hasta que se restablece el potencial de reposo (con la intervención de la bomba Na+_-K+_{), cambiando de nuevo la proteína a una}

estructura cerrada pero activa, sensible de nuevo a nuevas perturbaciones. Este comportamiento permite la transmisión del impulso en una dirección concreta y evita que el impulso nervioso se propague “hacia atrás”.

Fig. 19.14. Etapas de desarrollo del potencial de acción y su relación con los flujos iónicos a

través de la membrana del axón. (Los valores numéricos corresponden al axón gigante del calamar).

Considerando la duración de los distintos procesos que se suceden durante el desarrollo del potencial de acción, podemos ver en la figura 19.14 que el

La membrana celular y el impulso nervioso 99

proceso de activación del potencial de acción propiamente dicho (apertura y cierre de canales Na+_-K+_{) es rápido (en general algo inferior al milisegundo),}

mientras el periodo latente post-impulso requiere la acción de la bomba Na+_-K+ _{(y el correspondiente consumo energético) demorando más tiempo.}

Típicamente se produce un periodo latente de unos 3 ms, con lo que no se pueden conducir impulsos a frecuencia superior a 1/ ∆t ≈ 300 Hz (= 300 impulsos por segundo).

Conviene subrayar que el potencial máximo que se alcanza durante la despolarización de la membrana tiene un valor constante e independiente de la excitación inicial, una vez que se ha sobrepasado el umbral de excitación, es decir, el potencial de acción es del tipo “todo o nada”. Si la señal es suficiente como para “disparar” el potencial de acción, se produce su “amplificación” hasta un mismo valor.

La información transmitida por los impulsos nerviosos no puede estar, por tanto, codificada por medio de variaciones de su intensidad. La exci­ tación de la neurona produce en general el disparo de un “tren” de pulsos de igual amplitud (fig. 19.15) con una cierta frecuencia que cambia dependiendo de la intensidad de excitación. Los diferentes “mensajes” están codificados por medio de cambios en la frecuencia, algo que recordaría las técnicas de transmisión de información de tipo “digital” y que se utilizan hoy en día en telecomunicaciones o reproducción de señales musicales y de vídeo, por su capacidad para transmitir la información de forma segura y poco sensible a errores.

Fig. 19.15. La excitación de una neurona produce el disparo de un “tren” de pulsos de igual

amplitud. Los diferentes “mensajes” del sistema nervioso están codificados por medio de cambios en la frecuencia de estos pulsos, lo que recuerda la transmisión de información de

tipo digital.

Observación. Neurotoxinas. Algunas de las sustancias más venenosas que se

conocen actúan sobre el sistema nervioso, bloqueando la apertura o cierre de los canales iónicos, impidiendo por tanto el desarrollo del impulso nervioso. Estas sustancias reciben el nombre de neurotoxinas.

100 Fundamentos físicos de los procesos biológicos

Entre estas encontramos la tetrodotoxina, presente en algunos órganos del pez burbuja (tetradontidae: cuatro dientes), considerado un manjar en la gastronomía japonesa (Fugu). La ingestión de esta neurotoxina puede ser letal, por lo que no es de extrañar la existencia de cocineros especia lizados, específicamente acreditados como expertos capaces de proceder a la sepa­ ración de los órganos tóxicos y servir las partes del pez burbuja aptas para el consumo.

Un efecto similar es producido por la saxitoxina, generada por algunos dinoflagelados presentes en el fitoplancton marino. Su absorción por los moluscos filtradores no provoca ningún tipo de alteración aparente en sus características, aunque pueden ser causantes de graves intoxicaciones al ser consumidos por los seres humanos. El aumento de la concentración del fito­ plancton suele ir acompañado de cambios de coloración del agua, debido a sus pigmentos fotosintéticos, siendo la más frecuente la coloración rojiza, por lo que se utiliza el término “Marea Roja” para designar esta contaminación.

Aparte de sus efectos nocivos, las neurotoxinas se utilizan en el labora­ torio como método de bloqueo controlado de los canales iónicos y aplicados al estudio de la estructura y funcionamiento de las células nerviosas.

19.2.3 Conducción del impulso nervioso: características generales

Hasta ahora hemos considerado tan solo la secuencia temporal del poten- cial de acción y su desarrollo local en un cierto punto del axón. Pasemos ahora a considerar su propagación a lo largo del axón, es decir, la propagación del impulso nervioso propiamente dicha.

El flujo local de iones Na+ _{al interior del axón durante el desarrollo del}

potencial de acción da lugar también a su difusión a las zonas adyacentes, donde provoca una despolarización parcial de la membrana, que a su vez genera un flujo de carga en el exterior del axón, dando lugar a circuitos locales de carga, tal como se ilustra en la figura 19.16. Estos flujos van modificando el potencial de membrana del axón, siendo este cambio el que constituye el impulso nervioso propiamente dicho.

La membrana celular y el impulso nervioso 101

Fig. 19.16. Generación de circuitos de corriente locales dando lugar a la propagación

(pasiva) de la despolarización de la membrana del axón.

Si en un punto del axón, situado a una cierta distancia del punto de exci- tación, el valor del potencial de membrana llega a alcanzar el valor del poten- cial umbral, se volverá a provocar la apertura de los canales de sodio de la membrana, disparándose de nuevo el potencial de acción en ese punto. De esta manera el impulso se propaga, regenerándose a intervalos regulares, con intensidad aproximadamente constante a lo largo del axón.

Aunque los circuitos de corriente locales se producen en ambas direc- ciones del axón, la producción de una hiperpolarización de la membrana y el paso de la proteína de canal al estado “cerrado inactivo” hasta la recuperación del valor del potencial de reposo hacen que en las zonas donde ha pasado el impulso nervioso no se produzca la reexcitación, por lo que el impulso ner- vioso se propaga en una única dirección.

La conducción del impulso nervioso puede estudiarse como un fenómeno de conducción “pasivo”, inductor de la activación de la apertura o cierre de canales iónicos sensibles al voltaje, que den lugar a la regeneración del poten- cial de acción. El potencial de membrana cambia pero atenuándose a medida que aumenta la distancia al punto de excitación, lo que se denomina “conduc­

ción electrotónica”.

Las propiedades de la conducción pasiva del impulso nervioso, tales como la distancia a la que puede propagarse sin sufrir atenuación apreciable y el tiempo necesario para alcanzar un cierto punto y, por tanto, la velocidad de propagación, varían dependiendo del tipo de axón de que se trate (con y sin mielina) y de sus dimensiones. Por ejemplo, la velocidad de propagación del impulso nervioso para el axón gigante del calamar (sin mielina) es de unos

102 Fundamentos físicos de los procesos biológicos

20 ms–1_{, mientras para los nervios de mamíferos (con mielina) se han medido}

velocidades de hasta 120 ms–1_{. Estas propiedades pueden estudiarse a partir}

de un modelo sencillo de las características eléctricas del axón (resistencia y capacidad) y su descripción por medio de un circuito eléctrico.

19.2.4 Características eléctricas del axón: circuito equivalente

La propagación del potencial de acción puede describirse utilizando un modelo clásico (“teoría del cable”) en el que se asimila al axón con un con- ductor iónico (el axoplasma) protegido por un aislante que lo recubre (la mem- brana) y rodeado por otro medio también conductor (el fluido extracelular), tal como se esquematiza en la figura 19.17 donde puede verse una sección transversal del axón y su circuito eléctrico equivalente.

Fig. 19.17. Sección transversal del axón y su circuito eléctrico equivalente. A partir de las

características eléctricas asociadas al axón (R_axón, R_mem y C_mem) puede calcularse el poten- cial de membrana V(x,t) en función del tiempo t y de la distancia x al punto de excitación.

Si en un punto del axón (x = 0) se produce un potencial de acción (V_PA), esto constituye una alteración local de la carga y del potencial de membrana que puede considerarse, desde el punto de vista eléctrico, como una batería entre cuyos extremos se genera dicha diferencia de potencial (V₀ = V_PA). (Este valor representa el potencial electrotónico, es decir, diferencias respecto al valor del potencial de reposo). En el interior del axón se produce un flujo de iones, que constituye una corriente eléctrica I_axón, a la que el axoplasma opone una cierta resistencia R_axón. Como resultado del flujo de iones se va