I
DOCTORADO EN NEUROCIENCIA UAM
CARACTERÍSTICAS ELECTROFISIOLÓGICAS DEL NÚCLEO CENTROMEDIANO TALÁMICO HUMANO
Tesis doctoral
Autora: Lorena Vega Zelaya Director: Jesús Pastor Gómez
Afiliación: Hospital Universitario de La Princesa, Servicio de Neurofisiología Clínica.
c/Diego de León 62, Madrid.
Madrid, 26 de junio de 2017.
II Jesús Pastor Gómez, jefe de Servicio del Hospital Universitario de la Princesa y responsable de los estudios neurofisiológicos de la Unidad de Referencia Nacional para el Tratamiento de la Epilepsia Refractaria del Hospital de la Princesa, c/Diego de León 62, Madrid.
HACE CONSTAR: Que Dña. Lorena Vega Zelaya ha realizado bajo mi dirección el trabajo correspondiente a la Tesis Doctoral titulada
“Características electrofisiológicas del núcleo centromediano talámico humano”. Considero que dicho trabajo ha sido ejecutado satisfactoriamente y una vez revisado, manifiesto mi conformidad con la presentación de esta tesis para ser juzgada.
Para que conste y surta los efectos oportunos, lo firmo en Madrid a 26 de junio de 2017.
Fdo.: Jesús Pastor Gómez
III
AGRADECIMIENTOS.
Me gustaría expresar mi agradecimiento infinito al Dr. Jesús Pastor Gómez, jefe del Servicio de Neurofisiología Clínica del Hospital Universitario de La Princesa, por su excepcional esfuerzo, dedicación y apoyo en la dirección de esta tesis. Por las inestimables enseñanzas, pero, sobre todo por los acertados consejos, que entre otras cosas han motivado mi estima y valoración por la búsqueda del conocimiento profundo. Mil millones de gracias, hemos llegado al final y sigo manteniendo firme el labio superior.
Quisiera agradecer al Dr. Rafael García de Sola, jefe del Servicio de Neurocirugía del Hospital Universitario de La Princesa, por ser un admirable ejemplo de excelencia. También quiero reconocer a las neurocirujanas, Dra. Marta Navas García y Dra. Cristina Torres Díaz, por su accesibilidad y su espíritu de colaboración persistente.
Al Dr. Ancor Sanz García y Lic. Mirian Pérez Romero del Instituto de Investigaciones Biomédicas Hospital de la Princesa, por su pronta disposición y ayuda cuando lo necesité.
Un agradecimiento muy especial para mis padres. A mi madre, porque me enseñó con su ejemplo a no rendirme nunca. A mi padre, por tener siempre una palabra oportuna en cada momento.
A mis queridos hermanos, por su amor, apoyo y confianza incondicional.
A todo el resto de mi familia que, desde la distancia me demuestran constantemente su cariño y apoyo.
Y, para terminar a José Manuel, César, Alberto, Manuel y especialmente a Diego, por soportar las ausencias en silencio y por su enorme comprensión.
¡Muchas gracias a todos!
Madrid, a 26 de junio del 2017
IV
Para ti, Diego...
V Cuanto más aprendemos acerca del mundo, y cuanto más profundo es nuestro aprendizaje, más consciente, específico y articulado será nuestro conocimiento de lo que no sabemos, nuestro conocimiento de nuestra ignorancia... Nuestro conocimiento solo puede ser finito, mientras que nuestra ignorancia debe necesariamente ser infinita.
Karl Popper (Conjeturas y Refutaciones: el Crecimiento del Conocimiento Científico, 1963)
VI
RESUMEN.
El objetivo principal de esta tesis fue el análisis de las características electrofisiológicas (propiedades del potencial de acción –PA- y patrón de descarga), mediante el registro extracelular del núcleo talámico centromediano (Ce) en pacientes anestesiados. Se reconstruyó la trayectoria teórica de los electrodos sobre los diferentes núcleos talámicos, asignando un núcleo en cada profundidad de la trayectoria. El análisis de las propiedades de cada grupo neuronal que componen los núcleos talámicos más relevantes, se realizó a través de un proceso de sorting y agrupamiento. Los resultados muestran diferencias significativas entre los subdominios del núcleo Ce (magnocelular y parvocelular), tanto para las características morfológicas promedio de los PA, como para las propiedades de descarga. El análisis de las propiedades del resto de núcleos del tálamo también mostró diferencias significativas entre el Ce, núcleo ventral-intermedio (V.im.) y ventro-caudal (V.c.). Con el objetivo de definir los criterios de abordaje del Ce en relación con el núcleo V.c., se analizó durante el procedimiento la respuesta a la estimulación eléctrica del nervio mediano contralateral, registrada a través de los microelectrodos (potenciales evocados somato- sensoriales, PESS). Se encontraron 3 tipos de respuestas: i) potenciales de campo local (LFP), que son de morfología compleja y distribución más o menos localizada; ii) oscilaciones de alta frecuencia (HFO), con una distribución más extendida e inespecífica; iii) oscilaciones de baja frecuencia (LFO), respuesta que no había sido descrita en la literatura, son potenciales más localizados y están íntimamente relacionados con el V.c. Este trabajo demuestra que la utilización de las características electrofisiológicas de los PA registrados extracelularmente, así como las de los PESS, pueden mejorar la identificación de los diferentes núcleos talámicos, aumentando la precisión de la cirugía de ECP.
VII
ABSTRACT.
The main goal of this thesis was the analysis of the electrophysiological features (properties of the action potential -AP- and pattern of discharge), by the extracellular recording of centromedian thalamic nucleus (Ce) in anesthetized patients. The theoretical trajectory of the electrodes on the different thalamic nuclei was reconstructed, assigning a nucleus to each depth of the trajectory. The analysis of the properties of each neuronal group that compose the most relevant thalamic nuclei was performed through a process of sorting and clustering.
Results show significant differences between the subdomains of the Ce nucleus (magnocellular and parvocellular), both for the average morphological characteristics of the AP, and for the discharge properties. The analysis of the properties of the remaining nuclei of the thalamus also showed significant differences between Ce, ventral-intermediate nucleus (V.im.) and ventro-caudal nucleus (V.c.). In order to define the criteria for approaching Ce in relation to the V.c. nucleus, the response to electrical stimulation of the contralateral median nerve, recorded through microelectrodes (somatosensory evoked potentials, SSEP), was analyzed during the procedure. Three types of responses were found: (i) local field potentials (LFP), which are of complex morphology and a more or less localized distribution; (ii) high frequency oscillations (HFO), with a more widespread and nonspecific distribution; (iii) low-frequency oscillations (LFO), a response that has not been previously described in the literature, are more localized and are intimately related to V.c. This work demonstrates that the use of the electrophysiological characteristics of the extracellularly recorded APs, as well as those of the SSEPs, can improve the identification of the different thalamic nuclei, increasing the accuracy of Deep Brain Stimulation surgery.
VIII
NOTACION Y ABREVIATURAS.
En el presente trabajo se ha considerado, como suele ser habitual en Neurofisiología Clínica, que la parte de los potenciales dirigida hacia abajo es positiva, mientras que la parte dirigida hacia arriba es negativa. Por ello, es habitual denotar las ondas según el criterio de polaridad y ordinal que ocupen (pe, N1 o P2).
A lo largo de todo el trabajo se ha utilizado el Sistema Internacional de Unidades (SI).
Las abreviaturas utilizadas son:
4-AP: 4-aminopiridina.
DWT: Discrete Wavelet Transform.
ECP: Estimulación Cerebral Profunda.
FFT: Fast Fourier Transform.
HH: Hodgkin y Huxley (modelo de) HFO: High Frequency Oscillations.
HFP: High Frequency Potentials.
LFO: Low Frequency Oscillations.
LFP: Local Field Potentials.
mBI: modified Burst Index (índice modificado de ráfagas).
Núcleos del tálamo
Ce: Núcleos centromediano.
Ce.mc: Centromediano magnocelular.
Ce.pc: Centromediano parvocelular.
D.c: Dorso caudalis.
D.im.i: Dorso intermedius interno.
D.im.e: Dorso intermedius externo.
La.m: Lamella medialis thalami.
Li: Limitans.
IX M.c: Medial caudal.
M.fa: Medialis fasciculosus.
Pf: Parafascicular.
Rt: reticularis.
V.c.i: Ventrocaudal interno V.im: Ventrointermedius.
V.im.i: Ventrointermedius internus.
V.im.e: Ventrointermedius externo.
Vc.pc.e: Ventrocaudal parvocelular externo.
V.o.p: Ventral oral posterior.
Pi: Permeabilidad iónica del ión i.
PA: Potenciales de Acción.
PESS: Potenciales Evocados Somato-sensoriales.
PI: Pause Index (índice de pausas).
PR: Pause Ratio (razón o cociente de pausas).
SN: Sistema Nervioso.
SNC: Sistema Nervioso Central.
SW: Shaltebran-Wharen (atlas de).
TTX: Tetrodotoxina.
TEA: Tetra-etilamonio.
X LISTA DE FIGURAS.
Figura 1. Modelo resistencia/capacitancia (RC) ... 7
Figura 2. Modelo matemático que muestra las diferentes respuestas de voltaje ante el mismo pulso de corriente ... 8
Figura 3. Efecto del diámetro de las fibras nerviosas sobre la conducción electrotónica. ... 10
Figura 4. Cinética de las partículas m, n y h en el modelo HH. ... 12
Figura 5. Propiedades del PA simuladas mediante un modelo de soma esférico con el modelo HH. ... 14
Figura 6. Diferencias electrofisiológicas de las neuronas en el cerebro de los mamíferos. ... 17
Figura 7. Esquema general de una neurona de mamífero. ... 20
Figura 8. Esquema de un microelectrodo comercial utilizado en clínica.. ... 26
Figura 9. Ejemplo de un registro extracelular... 27
Figura 10. Ejemplo de colocación del marco de estereotaxia en cirugía estereotáxica. ... 29
Figura 11. Modelo del tálamo... 32
Figura 12. A. Diagrama en una vista medial de las estructuras del tálamo y su relación con otros ganglios de la base. ... 33
Figura 13. Diagrama de una sección horizontal que muestra las conexiones entre los núcleos del tálamo y la corteza. ... 34
Figura 14. Esquema de las vías implicadas en la propagación de las crisis epilépticas. ... 40
Figura 15. Algoritmo de detección y sorting de PA. ... 50
Figura 16. Comparación de los PA y su primera derivada. ... 51
Figura 17. Variables empleadas en la caracterización de los potenciales de acción. ... 51
Figura 18. Registro de PESS por medio de microelectrodos.. ... 53
Figura 19. Análisis espectral de los componentes de los PESS. ... 54
Figura 20. Análisis de tiempo-frecuencia mediante wavelets del componente HFP.. ... 54
Figura 21. Trayectoria de tres puntos consecutivos en la parte final del tálamo. ... 55
Figura 22. Planos sagital, frontal y axial del atlas SW durante el proceso de reconstrucción de una trayectoria. ... 56
XI Figura 23. Localización de los blancos teóricos y los reales sobre los tres planos del atlas SW.
... 63 Figura 24. Reconstrucción de las trayectorias teóricas sobre el atlas SW para dos pacientes. 64 Figura 25. Localización del núcleo centromediano. ... 68 Figura 26. Ejemplos de PA del núcleo Ce.pc... 70 Figura 27. Correlaciones entre diferentes magnitudes de los PA promedio. ... 71 Figura 28. Histogramas de frecuencia para la amplitud y la duración de los PA promedio del subdominio Ce.pc. ... 72 Figura 29. Función de densidad de probabilidad para los intervalos entre dos PA consecutivos.
... 72 Figura 30. Correlaciones entre diferentes magnitudes de los PA promedio. ... 75 Figura 31. Histogramas de frecuencia para la amplitud y la duración de los PA promedio del subdominio Ce.mc. ... 75 Figura 32. Función de densidad de probabilidad para los intervalos entre dos PA consecutivos.
... 76 Figura 33. Comparación de los PA canónicos obtenidos de cuatro pacientes. ... 77 Figura 34. Comparación de los gráficos de dispersión para los subdominios Ce.pc y Ce.mc. .. 78 Figura 35. Comparación de las funciones derivadas normalizadas para células del Ce.pc.y del Ce.mc.. ... 78 Figura 36. Registros característicos del núcleo centromediano en dos pacientes diferentes. ... 79 Figura 37. Comparación de las funciones de probabilidad para los intervalos entre dos PA consecutivos. ... 79 Figura 38. Localización del núcleo ventrointermedio (V.im.) en diversos cortes del atlas SW. 80 Figura 39. Ejemplos de PA del núcleo V.im. ... 81 Figura 40. Registro característico del núcleo V.im. ... 83 Figura 41. Correlaciones entre diferentes magnitudes de los PA promedio. ... 83 Figura 42. Histogramas de frecuencia para la amplitud y la duración de los PA promedio del V.im. ... 84
XII Figura 43. Función de densidad de probabilidad para los intervalos entre dos PA consecutivos.
... 84
Figura 44. Localización del núcleo ventrocaudal (V.c.) en diversos cortes del atlas SW. ... 85
Figura 45. Ejemplos de PA del núcleo V.c. para tres pacientes diferentes. ... 87
Figura 46. Registro característico del núcleo V.c. ... 88
Figura 47. Correlaciones entre diferentes magnitudes de los PA promedio. ... 89
Figura 48. Histogramas de frecuencia para la amplitud y la duración de los PA promedio del núcleo V.c. ... 89
Figura 49. Función de densidad de probabilidad para los intervalos entre dos PA consecutivos. ... 90
Figura 50. Localización del núcleo medialis (M.fa/M.c.) en diversos cortes del atlas SW. ... 91
Figura 51. Ejemplos de PA del núcleo M.fa/M.c. ... 92
Figura 52. Registro característico del núcleo M.fa/M.c. ... 94
Figura 53. Correlaciones entre diferentes magnitudes de los PA promedio. ... 94
Figura 54. Histogramas de frecuencia para la amplitud y la duración de los PA promedio del núcleo M.fa/M.c. ... 95
Figura 55. Función de densidad de probabilidad para los intervalos entre dos PA consecutivos. ... 95
Figura 56. Localización del núcleo ventral oral posterior (V.op.) en diversos cortes del atlas SW. ... 96
Figura 57. Ejemplos de PA del núcleo V.op. ... 97
Figura 58. Registro característico del núcleo V.op. ... 99
Figura 59 Correlaciones entre diferentes magnitudes de los PA promedio.. ... 99
Figura 60. Histogramas de frecuencia para la amplitud y la duración de los PA promedio del núcleo V.op. ... 100
Figura 61. Función de densidad de probabilidad para los intervalos entre dos PA consecutivos. ... 100
Figura 62. Comparación de las propiedades de los distintos núcleos... 101
XIII Figura 63. Comparación de las características de descarga para los registros crudos de los
distintos núcleos. ... 103
Figura 64. Gráficos de dispersión para la comparación de células del núcleo Ce.pc. y Ce.mc. ... 105
Figura 65. Ejemplos de registros consecutivos de PESS en dos pacientes diferentes. ... 106
Figura 66. Ejemplo de trayectorias completas para los cuatro electrodos del paciente #1. .... 107
Figura 67. Complejidad de los LFP. ... 108
Figura 68. Ejemplo de trayectorias completas para los cuatro electrodos del paciente #4. .... 110
Figura 69. Superposición del último registro (0 mm) del paciente #4 para los cuatro electrodos ... 111
Figura 70. Comparación de los tres últimos registros (0 1 y 2 mm) de los HFO. ... 112
Figura 71. Registros referenciales consecutivos y reconstrucción de registros diferenciales. 113 Figura 72. Composición espectral de diferentes trayectorias en el mismo paciente. ... 114
Figura 73. Registros de largo recorrido y con cuatro electrodos para HFO.. ... 115
Figura 74. Relación entre los tres tipos de potenciales en tres pacientes diferentes... 116
Figura 75. Importancia de la polaridad de los LFP en la aparición de las LFO. ... 117
Figura 76. Paciente con LFO en múltiples puntos del registro. ... 117
Figura 77. Espectros para los registros de alta frecuencia de tres pacientes distintos. ... 118
Figura 78. Análisis de DWT en dos registros talámicos del mismo paciente. ... 120
Figura 79. Variación de la latencia de aparición de los LFO a diferentes profundidades. ... 121
Figura 80. Generadores de las oscilaciones de alta frecuencia. ... 122
Figura 81. Esquemas simples de la superficie activa de los microelectrodos. ... 124
Figura 82. Agrupamiento de los PA en diferentes unidades a partir de los registros crudos. . 128
Figura 83. Relación entre la amplitud y duración del PA para el registro extracelular. ... 130
Figura 84. Comparación de los LFP.. ... 135
XIV LISTA DE TABLAS.
Tabla 1. Concentraciones de diferentes iones en el axoplasma y sangre del calamar. ... 4
Tabla 2. Estimación del error absoluto según el número de medidas realizado ... 59
Tabla 3. Características clínicas del grupo de pacientes intervenido ... 61
Tabla 4. Valores de las impedancias por pacientes y electrodos. ... 61
Tabla 5. Coordenadas del extremo final del electrodo definitivo. ... 62
Tabla 6. Distancias de núcleo Ce.pc registrado por los diferentes electrodos para cada paciente. ... 69
Tabla 7. Características electrofisiológicas de los PA del núcleo Ce.pc. ... 70
Tabla 8. Propiedades del patrón de descarga para registros del núcleo Ce.pc. ... 71
Tabla 9. Distancias de núcleo Ce.mc. registrado por los diferentes electrodos para cada paciente. ... 73
Tabla 10. Características electrofisiológicas de los PA del núcleo Ce.mc. ... 74
Tabla 11. Propiedades del patrón de descarga para registros del núcleo Ce.mc. ... 74
Tabla 12. Comparación de las principales características de los PA para ambos subdominios del núcleo centromediano. ... 76
Tabla 13. Comparación de las principales características de las descargas para ambos subdominios del núcleo centromediano.. ... 78
Tabla 14. Distancias de núcleo V.im. registrado por los diferentes electrodos para cada paciente. ... 80
Tabla 15. Características electrofisiológicas de los PA del núcleo V.im. ... 82
Tabla 16. Propiedades del patrón de descarga para registros del núcleo V.im. ... 82
Tabla 17. Distancias de núcleo registrado por los diferentes electrodos para cada paciente. .. 86
Tabla 18. Características electrofisiológicas de los PA del núcleo V.c. ... 87
Tabla 19. Propiedades del patrón de descarga para registros del núcleo V.c. ... 88
Tabla 20. Distancias de núcleo registrado por los diferentes electrodos para cada paciente. .. 91
Tabla 21. Características electrofisiológicas de los PA del núcleo M.fa/M.c. ... 93
Tabla 22. Propiedades del patrón de descarga para registros del núcleo M.fa/M.c. ... 93
XV
Tabla 23. Distancias de núcleo registrado por los diferentes electrodos para cada paciente. .. 96
Tabla 24. Características electrofisiológicas de los PA del núcleo V.op. ... 98
Tabla 25. Propiedades del patrón de descarga para registros del núcleo V.op. ... 98
Tabla 26. Comparación de las amplitudes de los PA promedio.. ... 101
Tabla 27. Comparación de las duraciones de los PA promedio. ... 102
Tabla 28. Comparación de los valores máximos de la primera derivada. ... 102
Tabla 29. Comparación de los valores mínimos de la primera derivada. ... 102
Tabla 30. Comparación de las frecuencias de descarga promedio. ... 103
Tabla 31. Comparación valores del índice de ráfagas modificado (mBI). ... 103
Tabla 32. Comparación de los valores del índice de pausas (PI)... 104
Tabla 33. Comparación de los valores de la razón de pausas (RP). ... 104
Tabla 34. Trayectorias en las que han aparecido respuestas de HFO. ... 109
XVI
CONTENIDO
RESUMEN. ... VI ABSTRACT. ... VII NOTACION Y ABREVIATURAS. ... VIII LISTA DE FIGURAS. ... X LISTA DE TABLAS. ... XIV
1. INTRODUCCIÓN ... 2
1.1. La neurona como unidad funcional del sistema nervioso ... 2
1.2. Registro electrofisiológico en neurocirugía funcional. ... 24
1.3. Núcleo centromediano del tálamo ... 32
2. HIPÓTESIS ... 42
3. OBJETIVOS ... 44
3.1. Objetivos generales ... 44
3.2. Objetivos específicos ... 44
4. MATERIAL Y MÉTODOS ... 46
4.1. Población estudiada ... 46
4.2. Protocolo del estudio ... 46
4.3. Análisis de los datos. ... 48
4.4. Variables ... 56
4.5. Análisis Estadístico ... 58
5. RESULTADOS ... 61
5.1. Características clínicas de la muestra ... 61
5.2. Reconstrucción teórica de las trayectorias ... 61
5.3. Reconstrucción de las trayectorias teóricas para diferentes núcleos talámicos ... 65
XVII
5.4. Núcleo Centromediano (Ce) ... 68
5.5. Núcleo Ventrointermedio (V.im.) ... 80
5.6. Núcleo Ventrocaudal (V.c.) ... 85
5.7. Núcleo Medialis fasciculosus y caudalis (M.fa/M.c.) ... 90
5.8. Núcleo Ventral oral posterior (V.op.) ... 96
5.9. Comparación de las características de los diferentes núcleos ... 100
5.10. Estabilidad de los registros del centromediano entre diferentes pacientes. ... 104
5.11. Potenciales evocados somato-sensoriales. ... 105
5.12. Comparación de los electrodos utilizados en la literatura para el registro de PESS ... 123
6. DISCUSIÓN ... 126
6.1. Aspectos metodológicos relevantes: reconstrucción, agrupamiento y anestesia ... 126
6.2. Análisis de las características electrofisiológicas del núcleo Centromediano ... 129
6.3. Análisis de las características electrofisiológicas en el resto de núcleos del tálamo. ... 132
6.4. Registro de potenciales evocados somato-sensoriales en el tálamo. 134 7. CONCLUSIONES ... 141
8. BIBLIOGRAFÍA ... 143
9. ANEXOS... 156
9.1. Anexo I. Modelo de circuito equivalente ... 156
9.2. Anexo II. Deducción de la ecuación de cable ... 157
1
INTRODUCCIÓN
2
1. INTRODUCCIÓN
1.1. La neurona como unidad funcional del sistema nervioso
El Sistema Nervioso (SN) está formado por diferentes tipos de células (neuronas, astrocitos, oligodendrocitos, etc.), todas ellas necesarias para su correcto funcionamiento, que consiste en la coordinación y gestión rápida de la información procedente de las diversas partes del cuerpo y de la interacción con el entorno, elaborando respuestas globalmente integradas que permitan el funcionamiento óptimo y la supervivencia del organismo. En esta función de manejo eficiente y fiable de la información destacan extraordinariamente las neuronas.
Las neuronas son células altamente especializadas en la generación de potenciales eléctricos mediante una serie de estructuras, como son la membrana plasmática con sus proteínas de membrana, las terminaciones sinápticas o los botones post-sinápticos.
1.1.1. Principios biofísicos de la generación de potenciales
Para llevar a cabo la transmisión de información, la neurona posee una estructura especializada con un cuerpo celular o soma, complejas ramificaciones de dendritas y un axón con sus propias ramas terminales. La membrana plasmática de una neurona está formada por una bicapa lipídica de unos 10 nm (10-8 m) de grosor, que tiene incluidas moléculas proteicas de elevado peso molecular, parte de las cuales funcionan como canales iónicos. Junto a ellos, se encuentran otras proteínas transportadoras, entre las que destaca especialmente un transportador iónico dependiente de ATP y que se denomina APTasa Na+-K+, junto con otros transportadores como el Na+/Ca2+ o Cl-/CO3H-(Craner et al., 2004).
Con esta estructura, la neurona es capaz de llevar a cabo las funciones básicas de generar secuencialmente diferentes señales en distintos sitios de la célula mediante el cambio del potencial transmembrana.
Las neuronas realizan su función de transmisión de información mediante la generación de pequeñas corrientes eléctricas. La corriente (i, A) se define como el flujo de carga eléctrica (en culombios, C) por tiempo (s) y su expresión matemática es:
𝒊 =𝒅𝒒
𝒅𝒕 Ecuación 1
Donde q es la carga eléctrica y t el tiempo. Estas corrientes son la magnitud fundamental de la neurofisiología, tanto básica, como clínica y pueden incluir desde las corrientes unitarias por canal, medidas mediante patch-clamp (del orden de los picoamperios, 10-12 A), hasta las corrientes por volumen generadas por grandes superficies corticales durante una crisis generalizada (del orden de los microamperios, 10-6 A). La aparición de estas corrientes está mediada por la existencia de gradientes de concentración electroquímica para cada especie iónica.
3 La existencia de estos gradientes se debe a la distribución asimétrica de diferentes iones a ambos lados de la membrana plasmática, mediante dos tipos de procesos que son básicamente (Vázquez J, 1993):
a. Procesos pasivos
a.1. Potenciales de Gibbs-Donann. Son los más importantes dentro de los pasivos.
Generan asimetrías en la concentración iónica por la presencia intracelular de aniones no difusibles de alto peso molecular (fundamentalmente proteínas).
a.2. Potenciales de difusión. Son los menos importantes y se deben a la diferencia en la movilidad de los distintos iones en medios acuosos.
a.3. Potenciales de superficie. Estos potenciales tienen una gran importancia en la fisiología y fisiopatología neuronal, pero no dan lugar a separación transmembrana de una especie iónica.
b. Procesos activos
b.1. Bombas electrogénicas: Na+/K+ATPasa. Es el mecanismo principal por el que se generan las asimetrías iónicas de concentración.
b.2. Intercambiadores. Son procesos pasivos o facilitados y comparativamente son poco importantes.
La ecuación fundamental que explica la aparición de los potenciales eléctricos a partir de la distribución asimétrica de iones es la ecuación de Nernst1 (Johnston, Wu, 2001):
𝐕𝒊 = −𝑹𝑻
𝒛𝒊𝑭𝐥𝐧𝒄𝒊𝒊
𝒄𝒊𝒆; 𝒊 = 𝑵𝒂+, 𝑲+, 𝑪𝒍−, 𝑪𝒂𝟐+ Ecuación 2
En la que zi es la valencia iónica, F la constante de Faraday (96.485 C/mol), R la constante universal de los gases (8.314 J/mol K), T la temperatura, en Kelvin2 y 𝑐𝑖𝑒, 𝑐𝑖𝑖, respectivamente, las concentraciones (medidas en mol/m3) extra e intracelulares de la especie iónica i3. Con las unidades especificadas, la magnitud de los potenciales está dada en milivoltios (10-3 V).
Cuando se tienen en cuenta las unidades adecuadas, el factor RT/ziF de la ecuación anterior, a una temperatura de 37ºC tiene un valor de 26.7 mV. (Koester y Siegelbaum, 2000).
1 Walther Hermann Nernst Görbitz (1864-1941), físico y químico alemán, galardonado con el premio Nobel de Química en 1920.
2 La equivalencia entre la escala de temperatura absoluta (en Kelvin, K) y la celsius (ºC), es ºC = 273.15 K
3 Obviamente, no debe confundirse el subíndice i, con el símbolo de la corriente eléctrica. El contexto hará que esta diferencia aparezca fácilmente.
4 Esta ecuación permite el cálculo de los potenciales de reversión, que son aquellos valores para los que la especie iónica se encuentra en equilibrio y, por lo tanto, no tiende a fluir hacia o fuera de la neurona. Los valores de estos potenciales serán fundamentales para explicar el comportamiento de los potenciales neuronales (tabla 1).
Tabla 1. Concentraciones de diferentes iones en el axoplasma y sangre del calamar (tomada de Pastor, 2000) y sus potenciales de equilibrio, calculados para una temperatura de 25 ºC.
Ion Axoplasma (mmol/l) Sangre (mmol/l) V (mV)
K+ 397 20 -75.0
Na+ 50 437 54.4
Cl-* 40 556 -66.1
Ca2+* 0.4 10 40.4
* Nota: para el cálculo del potencial, téngase en cuenta el signo y la carga de los iones considerados.
A partir de esta ecuación se puede obtener la ecuación de Nernst-Planck4 para el flujo (Ji, en mol/s·m2) de una especie iónica, cuya expresión es:
𝑱𝒊= −𝒛𝒊𝑭𝒄𝒊𝒖𝒊𝒅𝑽
𝒅𝒙− 𝒖𝒊𝑹𝑻𝒅𝒄𝒅𝒙𝒊 Ecuación 3
El símbolo ui representa la movilidad iónica (mol/s). Esta ecuación nos dice que el flujo de una especie iónica a través de la membrana (es decir, la corriente) depende tanto de su gradiente de concentración (−𝑑𝑐𝑑𝑥𝑖), como del gradiente del potencial (−𝑑V𝑑𝑥), es decir, tiene una doble dependencia electro-química.
La integración de esta ecuación para unas condiciones de campo constante (condición que implica que el cambio del potencial a lo largo de la membrana plasmática es constante,
4 Max Karl Ernst Ludwig Planck (1858 – 1947), físico teórico alemán cuya contribución a la ciencia va mucho más allá de la Termodinámica y la Biofísica. Su trabajo inició la Mecánica Cuántica y por ello, fue galardonado con el Premio Nobel de Física en 1918.
5
𝑑V
𝑑𝑥= 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒) permite obtener una generalización de la ecuación de Nernst, que es la ecuación de Goldman-Hodgkin-Katz5 (conocida como GHK):
𝐕𝒓 =𝑹𝑻
𝑭 𝐥𝐧𝑷𝑵𝒂𝒄𝑵𝒂𝒆 +𝑷𝑲𝒄𝑲𝒆+𝑷𝑪𝒍𝒄𝑪𝒍𝒊
𝑷𝑵𝒂𝒄𝑵𝒂𝒊 +𝑷𝑲𝒄𝑲𝒊+𝑷𝑪𝒍𝒄𝑪𝒍𝒆 Ecuación 4
Los símbolos Pi representan la permeabilidad iónica en condiciones de reposo (mol/s). Es importante darse cuenta que, debido a la valencia negativa, las concentraciones extra e intracelular del cloruro están intercambiadas con respecto a las de los cationes. Estas permeabilidades, en reposo, se pueden tomar como constantes y arrojan unos valores relativos de 1:0.04:0.45 para la ratio PK:PNa:PCl (Junge, 1992). Esta ecuación permite conocer el valor del potencial de reposo de una neurona (Vr) y explica por qué este potencial está en torno a -60 mV, bastante alejado del potencial de equilibrio del Na+ (+55 mV) y sólo un poco más positivo que el potencial de equilibrio del K+ (-75 mV) y del Cl- (-66 mV, Pastor, 2000;
Koester y Siegelbaum, 2000).
Además de esta ecuación, la generación de biopotenciales está fundamentada en el Principio de Electroneutralidad de Nernst-Planck que se enuncia así: la suma de todas las cargas positivas en cualquiera de los compartimentos separados por una membrana ha de ser igual a la suma de las cargas negativas, es decir:
∑ 𝒒+ += ∑ 𝒒− − Ecuación 5
Este principio es muy importante, porque es un error común pensar que el potencial de membrana surge porque las distribuciones iónicas tienen cargas asimétricas netas a ambos lados de la misma. Esta condición es cierta macroscópicamente, aunque dentro de cada compartimento existan subregiones en las que haya diferentes concentraciones iónicas. La subregión más importante es, evidentemente la membrana celular, que en virtud de las cabezas polares de los fosfolípidos que la forman, es capaz de atraer cargas de signo contrario que generan el campo a través de dicha membrana.
El potencial de membrana (Vm), por lo tanto, está producido por la diferencia de concentración intra y extracelular del Na+, K+ y Cl-. En el espacio intracelular predominan las concentraciones
5 David E. Goldman, fisiólogo americano (1910-1998) que derivó la ecuación durante su doctorado en la Universidad de Columbia. Sir Alan Hodgkin (1914-1998) biofísico inglés, ganador del Premio Nobel de Medicina en 1963 junto con Andrew F. Huxley y John Eccles. Junto con Huxley realizó los estudios experimentales y teóricos más importantes sobre el potencial de acción. Sir Bernard Katz (1911-2003) biofísico anglo-alemán, ganador del Premio Nobel de Medicina en 1970.
6 de K+ y aniones (A-), mientras que en el espacio extracelular encontramos mayores concentraciones de los iones Na+, Cl- y Ca2+. La membrana es selectivamente impermeable a los aniones, lo que evita que estos difundan fuera de la célula al mismo tiempo con el K+. La selectividad global de la membrana para iones individuales está determinada por la proporción relativa de los diferentes tipos de canales iónicos abiertos en la célula. Por lo tanto, el potencial de reposo de la célula estará determinado por la permeabilidad selectiva de la membrana a uno o unos iones determinados y por el valor del potencial de equilibrio de esos iones. La membrana de las células gliales, en general (Pastor y Sola, 2002), es permeable a un solo ion, el K+. En cambio, la membrana de las células nerviosas es permeable para tres iones, el Na+, Cl- y K+.
Como se ha indicado, en situación de reposo existen, efectivamente, flujos iónicos a través de la membrana. Se trata, por tanto, de un estado estacionario más que de equilibrio. Para que el potencial de reposo de una membrana se mantenga, necesitamos que el flujo de entrada y salida de las cargas positivas esté en equilibrio y se mantenga constante en el tiempo. Sin embargo, el movimiento pasivo hacia afuera de K+, que compensa la entrada de Na+ a la célula, no es capaz de perdurar durante mucho tiempo. Esto es debido a que los gradientes de Na+ y K+ eventualmente se terminan agotando.
La pérdida de los gradientes iónicos es evitada por la bomba de Na+-K+, la cual es responsable del movimiento de Na+ y K+ contra su gradiente electroquímico utilizando como energía para su funcionamiento la hidrólisis de ATP. La bomba extrae del interior de la célula, 3 iones de Na+ e introduce 2 de K+. Este flujo desigual de Na+ y K+ hace que la bomba genere una corriente iónica neta hacia afuera, de ahí que se diga que la bomba es electrogénica (Craner et al., 2004).
Hasta ahora hemos descrito el comportamiento del potencial de membrana en períodos estables. La fisiología de una membrana neuronal cuando está lejos del reposo es, no obstante, mucho más compleja. Pueden distinguirse dos tipos de comportamientos eléctricos en este estado: los procesos pasivos y los procesos activos, que se desarrollarán a continuación
1.1.1.1. Propiedades pasivas del potencial de membrana. Modelo de circuito equivalente.
Las propiedades pasivas son aquellas que no dependen de la presencia de canales iónicos.
Están condicionadas por tres características, que son: la resistencia de la membrana en reposo, la capacitancia y la resistencia intracelular a lo largo de dendritas y axones. Estas propiedades determinarán las peculiaridades del potencial sináptico generado por la corriente sináptica, la posibilidad de que el potencial alcance el umbral de despolarización en la zona gatillo y finalmente, aunque no muy relevante para el caso que nos ocupa, la velocidad de conducción del potencial de acción (PA- Koester y Siegelbaum 2000).
Las membranas biológicas pueden ser representadas a través de un modelo eléctrico sencillo, que es capaz de explicar algunos comportamientos observados en membranas excitables (Cole
7 y Curtis, 1938). Dicho modelo representa un circuito eléctrico unitario simple para una superficie de membrana de área unidad, que está formado por dos ramas (figura 1): i) resistiva, que representa la resistencia de la unidad de membrana al flujo de la corriente, se denomina resistencia específica de membrana y se denota como Rm (·cm2) y ii) capacitiva que debe su existencia a la capacidad para almacenar carga electrostáticamente y que se simboliza como Cm (µF/cm2).
Figura 1. Modelo resistencia/capacitancia (RC) para una unidad de superficie de membrana biológica.
En términos generales, en este modelo de circuito eléctrico, la capacitancia de la membrana representa la bicapa de lípidos de la que está hecha la membrana, y la resistencia de la membrana estará relacionada principalmente con los canales iónicos que regulan la permeabilidad de la membrana.
La resistencia de entrada de la célula determinará cuánto se despolarizará una célula en respuesta a la inyección de una corriente estable. La magnitud de la despolarización está dada por la ley de Ohm:
𝑽 = 𝑰 × 𝑹𝒊𝒏 Ecuación 6
Aquellos rangos de voltaje para los que es aplicable la ley se denominan óhmicos o lineales y, en términos generales no incluyen todo el rango de voltaje con interés fisiológico, ya que existen comportamientos que se alejan considerablemente de la linealidad.
La existencia de una membrana lipídica polar separando dos medios iónicos, actúa como una capacitancia, es decir, acumulando cargas eléctricas de signo opuesto. Es precisamente la existencia de estas cargas la que establece un campo eléctrico a través de la membrana y, por
8 tanto, la existencia de una diferencia de potencial Vm. En biofísica, la capacitancia se especifica en términos de la capacitancia específica de la membrana, cm, de modo que el valor de la capacitancia total (CT) de la célula (o mejor, de la porción de membrana que se está estudiando) se obtendrá al multiplicar el valor de la cm por la superficie total considerada.
En el circuito eléctrico equivalente de la unidad de membrana, la resistencia y la capacitancia están dispuestas de manera paralela, de modo que la corriente total transmembrana (I) tendrá ambos componentes. La expresión que explica la variación del voltaje en función del tiempo para un pulso de voltaje definido será (ver Anexo I):
𝑽(𝒕) = 𝑽𝟎(𝟏 − 𝒆−𝒕/𝝉𝒎) Ecuación 7
La constante de tiempo mide de alguna manera el tiempo que tarda el potencial de membrana en aumentar (1 − 1 𝑒⁄ ), un 63% de su valor de reposo. Se trata de una característica muy importante de la membrana porque, como veremos, nos va a indicar si la respuesta de la membrana a un cambio súbito de voltaje es más o menos rápida (figura 2).
Figura 2. Modelo matemático que muestra las diferentes respuestas de voltaje ante el mismo pulso de corriente (rojo) para valores distintos de la constante de membrana, que son = 0.1 s (línea discontinua), = 1 s (línea continua) y = 10 s (línea de puntos). Obsérvese cómo el aumento del valor de la constante aumenta la velocidad con la que la célula se carga en respuesta a la inyección de corriente y, por tanto, la velocidad con la que responderá a los cambios de voltaje.
Un aspecto que se debe tener en cuenta, tanto al hablar de las propiedades pasivas, como de las propiedades activas, es que las corrientes inducidas en una porción de la membrana forman siempre un circuito cerrado. Si se observa la entrada neta de corriente en una región
9 (pozo de corriente), en las regiones adyacentes se observará la salida de dicha corriente (fuentes).
La conducción de corriente de forma pasiva a lo largo de estructuras tubulares sin canales iónicos, como pueden ser las dendritas o los axones amielínicos, se analiza mediante el llamado modelo de cable. Este modelo se desarrolló en el último cuarto del siglo XIX para el análisis de los cables telefónicos transatlánticos (Vázquez, 1993; Johnston y Wu, 2001;
Shepherd, 1988; 2003).
El citoplasma dendrítico, al tener una sección transversal relativamente pequeña, proporciona una resistencia significativa al flujo longitudinal de corriente. Por el contrario, cuanto más grande sea el diámetro, menor resistencia encontraremos para una longitud dada. Por otra parte, cuanto mayor sea la longitud del citoplasma dendrítico, mayor la resistencia, ya que el recorrido es mayor y los iones experimentarán más colisiones.
La magnitud de corriente que abandona la dendrita por unidad de longitud (mA/cm) vendrá dada por la siguiente expresión (ver Anexo II), denominada ecuación de cable:
𝒊𝒎(𝒙) =(𝒓 𝟏
𝒊+𝒓𝒆) 𝒅𝟐∆𝑽
𝒅𝒙𝟐 Ecuación 8
Para que esta ecuación nos resulte útil, tenemos que ponerla en términos mensurables como el diámetro de la dendrita o los valores de las resistencias. Además, resultará más útil si podemos encontrar una expresión para la densidad de corriente transmembrana (I, mA/cm2).
La resolución general de la ecuación de cable es tremendamente complicada y excede con mucho los objetivos de este trabajo. Sin embargo, la resolución parcial de la misma, imponiendo condiciones estacionarias, resulta de gran ayuda.
De este modo, cuando se inyecta una corriente constante en un punto y se mide el potencial a lo largo de diferentes puntos del axón o dendrita en el mismo tiempo (es decir, prescindiendo del tiempo como variable), la solución estacionaria para el voltaje será:
𝑽(𝒙) = 𝑽𝟎𝒆−𝒙 𝝀⁄ ; 𝝀 = √𝑹𝟐𝝆𝑴𝒅 Ecuación 9
La constante 𝜆 se llama constante de longitud electrotónica y nos indica a qué distancia se propagará una perturbación de voltaje a lo largo de una fibra. Es el equivalente de 𝜏𝑚 en la dimensión de longitud y sus unidades serán, por tanto, µm. Es muy importante darse cuenta de que 𝜆 depende directamente del diámetro de la fibra (d), lo que significa que las fibras más gruesas propagarán más lejos sus potenciales (Figura 3). Esto es muy relevante para el procesamiento de la información en las dendritas.
10 Figura 3. Efecto del diámetro de las fibras nerviosas sobre la conducción electrotónica. (A).
Gráficos que representan la ecuación 𝑽/𝑽𝟎= 𝑽𝟎𝒆−𝒙⁄𝝀 para tres diámetros distintos de fibras nerviosas (B). Como puede verse, las fibras con mayor diámetro, por tanto, con un valor de λ transmiten el mismo valor de potencial más lejos.
Por otro lado, cuando se mide el cambio del potencial en el mismo punto, pero en tiempos diferentes (prescindiendo por lo tanto de x como variable), obtendremos:
𝑽(𝒕) = 𝑽𝟎𝒆−𝒕 𝝉⁄𝑴 Ecuación 10
La conducción electrotónica representa la eficiencia en la propagación pasiva de los cambios de voltaje a lo largo de la neurona, y la medida de esta eficiencia es la constante de longitud.
La eficiencia de la conducción electrotónica tiene dos efectos importantes sobre la función neuronal: 1) influye en el proceso mediante el cual potenciales sinápticos generados en diferentes regiones de la neurona son sumados en la zona gatillo (trigger) y 2) es un factor determinante en la velocidad de propagación del PA.
Cuando un PA es generado en cualquier región a lo largo del axón, la despolarización local se propaga electrotónicamente, causando que la región adyacente de la membrana alcance también el umbral para generar un PA. Este circuito local de flujo de corriente que surge de la diferencia de potencial entre regiones activas e inactivas de la membrana del axón permite que la despolarización se propague a lo largo de todo el axón. Por lo tanto, el tiempo que demora la despolarización en propagarse a lo largo del axón está determinado por la rm, y la cm.
11 La velocidad de propagación pasiva es inversamente proporcional al producto rmcm. Si el resultado del producto es bajo, la velocidad de propagación aumenta y el PA se propaga más rápido.
1.1.1.2. Propiedades Activas. El potencial de acción.
Las propiedades activas son aquellas mediadas por corrientes iónicas que atraviesan la membrana a través de canales iónicos dependientes de voltaje. Estas corrientes dan lugar a cambios no lineales de potencial espacio-temporales rápidos y transitorios que se denominan PA. Constituyen las verdaderas unidades de información del SN.
Desde 1902 con las primeras publicaciones de E. Overton, se supo que el PA depende de la presencia extracelular de Na+. Con el desarrollo de la técnica de voltaje-clamp por Kenneth Cole6 en 1949 se pudieron realizar medidas cuantitativas de las corrientes de Na+ y K+ que caracterizan el PA. Existen diversos modelos matemáticos que dan cuenta de los PA (Goldman, 1943; Hoyt, 1963; Goldman, 1964; Adelman-FitzHugh, 1975). Sin embargo, el más ampliamente empleado fue desarrollado por Hodgkin y Huxley (ver Pastor 2000) a partir de cuatro artículos clásicos en 1952 (Hodgkin y Huxley 1952a, b, c y d). En estos experimentos, Hodgkin y Huxley (HH) investigaron los mecanismos básicos de excitabilidad eléctrica en el axón gigante del calamar.
De esta manera los citados autores pudieron formalizar su teoría mediante las siguientes expresiones que muestran el comportamiento de las corrientes de Na+ (INa), de K+ (IK) y de la corriente leak o de fuga (Il):
) )(
, ( ) ,
( 3 Na
Na
Na g mV t hV t V V
I Ecuación 11
) (
) ,
( 4 K
K
K g nV t V V
I Ecuación 12
)
( l
l
l g V V
I Ecuación 13
donde gs representa la conductividad máxima para el ión s = Na+, K+, siendo gl la conductividad máxima de la corriente de fuga, que es una corriente inespecífica, aunque generalmente
6 Kenneth Stewart Cole (1900-1984) físico norteamericano que midió por vez primera la variación de la impedancia del axón gigante del calamar con el paso de un potencial de acción. Su mayor contribución a la biofísica fue el desarrollo del control de voltaje, que es el método más poderoso que se ha inventado para el estudio de las características eléctricas de la membrana neuronal.
12 vehiculada por K+. Los términos m(V,t), n(V,t) y h(V,t) fueron postulados originalmente como
“partículas” abstractas, aunque en la actualidad sus funciones están localizadas en estructuras concretas en el canal iónico y representan la cinética de apertura del canal de sodio, del de potasio y la cinética de inactivación del canal de sodio, respectivamente (figura 4). Todos ellos son funciones que dependen de voltaje y del tiempo. Por último, Vs supone el potencial de Nernst para cada especie iónica y V es el potencial de membrana, que es la variable que se modificará a través del tiempo.
Tiempo (ms)
0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30
p
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0
Figura 4. Cinética de las partículas m, n y h en el modelo HH. Obsérvese como la cinética de la partícula n es considerablemente más lenta que la de las partículas m o h, lo que explica su denominación de rectificador retrasado.
La densidad de corriente superficial que circula a través de un elemento de superficie de membrana será:
𝑰(𝑽, 𝒕) = 𝑰𝑪(𝒕) + 𝑰𝑵𝒂(𝑽, 𝒕) + 𝑰𝑲(𝑽, 𝒕) + 𝑰𝒍(𝑽) Ecuación 14
Es decir, la contribución de la corriente capacitiva más todas las corrientes iónicas.
De acuerdo con el modelo de HH, la génesis del PA sigue una serie de eventos secuenciales. En el estado de reposo hay un equilibrio entre el flujo de entrada estable de Na+ y el de salida de K+. Sin embargo, el potencial de membrana cambia de forma no lineal cuando la membrana es despolarizada más allá del umbral para la generación de un PA. Cuando la membrana alcanza este umbral, los canales de Na+ dependientes de voltaje se abren rápidamente (aumenta la gNa), incrementado la corriente de entrada del Na+. Esta corriente, inicialmente carga la capacitancia de membrana, ocasionando una mayor despolarización, abriendo más canales de Na+ y aumentando aún más la corriente de entrada. Este proceso de realimentación positiva conduce al potencial de membrana hacia el VNa, produciendo la fase ascendente del PA. Sin embargo, el potencial de membrana nunca llega a alcanzar el potencial de equilibrio del Na+,
m3
n4
m3h h
13 porque el flujo de K+ hacia afuera de la célula se incrementa lentamente durante toda la despolarización. Aun así, la cantidad de canales de Na+ dependientes de voltaje son demasiados, por lo que el flujo de corriente entrante es el dominante durante esta fase del PA.
El estado de despolarización del PA limitará la duración del mismo mediante dos mecanismos:
I) la corriente de entrada de sodio se inactiva rápidamente. Esta propiedad de inactivación es característica de algunos tipos de canales iónicos, pero no de todos (Pastor, 2000). ii) Además, la despolarización de la membrana abre canales de potasio cuya cinética es mucho más lenta y no se inactivan. Esta corriente de salida denominada rectificador retrasado (“delayed rectifier”), junto con la inactivación de la corriente de sodio son los responsables de la repolarización y de la post-hiperpolarización que le sigue. El PA es una respuesta típicamente todo o nada, al contrario de lo que ocurre con las respuestas puramente pasivas que son graduales.
Este modelo es capaz de explicar algunos fenómenos de importancia fisiológica que no tenían explicación previa. En concreto, estos fenómenos son (Pastor y Reina, 2011): i) la existencia de un umbral de voltaje, ii) la hiperpolarización que sigue a la fase de despolarización, iii) los períodos refractarios parciales y absolutos y iv) el mecanismo de propagación del PA. Dado que apenas tiene trascendencia para nuestro trabajo, no se comentará nada sobre el mecanismo de propagación.
Umbral de voltaje
El umbral de voltaje se define como el voltaje a partir del cual se genera un PA (figura 5A). La explicación de este umbral es sencilla a la vista del modelo de HH. El umbral es aquel punto del espacio de fases en que la corriente de entrada de sodio es igual a la corriente de salida de potasio. En este punto, el sistema se encuentra en un estado inestable, que puede evolucionar hacia el origen del PA, o nuevamente hacia el potencial de reposo. La figura 5 muestra resultados a partir de un modelo matemático. Cuando las intensidades en la figura 5A son de 0.025 0.030 y 0.035 nA, no se observa una respuesta regenerativa (en realidad, es una respuesta pasiva tipo modelo RC). Sin embargo, a medida que crece la corriente aplicada, la forma que adopta la parte final del pulso de voltaje se separa de la que se esperaría para una respuesta puramente pasiva (I = 0.035 nA). Este fenómeno se produce porque una porción de la corriente de sodio ya está activada, aunque aún es insuficiente para superar a la corriente de potasio y generar un PA (flecha). Sin embargo, cuando la corriente administrada es de 0.040 nA se obtiene una respuesta regenerativa (cabeza de flecha).
14 Figura 5. Propiedades del PA simuladas mediante un modelo de soma esférico con el modelo HH. A) Umbral de voltaje en respuesta a corrientes de intensidad creciente en respuesta a pulsos cuadrados de corriente de intensidad creciente. Con intensidades de 25x10-3, 30x10-3 y 35x10-
3 nA, no se observa una respuesta regenerativa (en realidad, es una respuesta pasiva tipo RC). Sin embargo, a medida que crece la corriente inyectada, la forma de la parte final del pulso de voltaje se separa de lo que se esperaría para una respuesta puramente pasiva (I = 35x10-3 nA). Este fenómeno se produce porque una parte de la corriente de Na+ ya está activada, aunque aún resulta insuficiente para superar a la corriente de K+ y generar un PA (flecha). Sin embargo, cuando la corriente inyectada se incrementa hasta los 40x10-3 nA se obtiene una respuesta regenerativa (cabeza de flecha). B) Periodo refractario absoluto debido a la inactivación de canales de Na+. Los PA son más anchos de lo habitual porque la temperatura de la simulación, para obtener una cinética más lenta, fue de 0.1ºC. Se han representado pares de potenciales de acción en respuesta a la inyección de pulsos de corriente de 0.25 ms de duración. El pulso de control (siempre el primero) es de 0.1 nA. El primer par de pulsos (rojo) está separado por un intervalo de 4 ms y se evoca con la misma intensidad de corriente que el de control. El segundo par de pulsos (azul) está separado por un intervalo de 3 ms y precisa una mayor cantidad de corriente para producir el potencial, aunque todavía es posible evocarlo. Sin embargo, cuando la separación entre los pulsos es de 2 ms (gris), a pesar de la inyección de una corriente muy intensa no se obtiene respuesta regenerativa, siendo puramente una respuesta RC. C) Periodo refractario relativo, debido a la persistencia de la corriente de K+. El primer par de pulsos (rojo) está separado por un intervalo de 8 ms. Cuando el intervalo se acorta hasta los 5 ms (azul discontinuo) no se obtiene PA, pero si puede obtenerse cuando se incrementa la corriente. Las barras horizontales indican los periodos de inyección de corriente. La intensidad de cada pulso (en nA) se muestra debajo. Modificado de Pastor, 2000.
Poshiperpolarización y períodos refractarios
La posthiperpolarización se define como el periodo durante el cual el potencial de membrana es más negativo que el potencial de reposo (hiperpolarización) tras la fase positiva del PA (espiga), haciendo que el potencial de membrana sea similar al potencial del potasio Vm ~ VK.
15 La recuperación de la posthiperpolarización a menudo incluye una breve y mínima despolarización, denominada despolarización post-potencial, que cuando alcanza una magnitud suficiente, facilita la aparición de ráfagas de PA porque lleva a la célula más cerca del potencial umbral (Amir et al., 1999; Amir et al., 2002). La repolarización del PA se produce por medio de dos mecanismos, cada uno de los cuales tendrá más importancia en un tipo de células que en otro.
Inactivación de los canales de sodio. Es un fenómeno dependiente del tiempo. Mientras el canal del sodio está abierto, comienza a pasar de un estado activo a un estado inactivo, que no permite el paso de corriente. Hasta que no transcurra un tiempo suficiente en este estado inactivado, no se podrán abrir los canales, independientemente del voltaje aplicado. Es decir, no se podrá originar ningún PA (figura 5B).
Activación del rectificador retrasado. La cinética del canal de potasio es considerablemente más lenta que la del sodio (figura 5C). Por ello la IK tarda un tiempo en desaparecer, a pesar de que el potencial de membrana Vm esté en torno Vr. Esta corriente de salida de potasio hace que el potencial de membrana Vm tienda hacia el potencial de Nernst del potasio. En esta fase, la inyección suficiente de corriente es capaz de originar un PA, como hemos visto más arriba.
1.1.1.3. Generalización de la teoría de Hodgkin y Huxley
La teoría de HH se describió inicialmente para las conductancias clásicas de Na+ y K+, junto con la conductancia inespecífica de fuga (principalmente K+). Sin embargo, posteriormente se fueron describiendo numerosas conductancias a distintos iones (p.e, Cl-, Ca2+ o CO3H-), vehiculadas por canales cuyas propiedades cinéticas y de dependencia de voltaje u otros iones eran diferentes. De hecho, en la época de HH no había constancia de la existencia, estructura y propiedades de los canales iónicos. Para ello, hubo que esperar a la aparición de técnicas genéticas, de criofractura y, especialmente de patch-clamp para entender en profundidad el funcionamiento de estas proteínas transmembrana que son la verdadera piedra angular de la excitabilidad neuronal.
Los canales iónicos son gluco-proteínas integrales de membrana cuyo peso molecular oscila entre 25000 y 250000 daltons (Pastor, 2000). Todos los canales tienen un poro acuoso central que permite la continuidad entre las soluciones electrolíticas intra y extracelular (Koester y Siegelbaum, 2000). Pueden estar compuestos por una o por varias subunidades proteicas y pueden tener diversas regiones intra y extracelulares para su regulación (Nicoll, 1984; Nicoll et al., 1990).
Como ejemplo de funcionamiento de los canales iónicos activados por voltaje utilizaré los canales de K+. Las propiedades (Miller, 1990) que podemos identificar en un canal iónico son:
Permeabilidad. La molécula más simple de canal iónico está formada por 6 hélices alfa que atraviesan la membrana, dejando ambos extremos N y C terminales
16 intracelularmente. La confluencia de estas hélices permite definir un canal acuoso que permitirá el paso de iones.
Selectividad. La conformación especifica de determinados restos aminoácidos cargados crea una región con una distribución de potencial específica que permite sólo el paso de un determinado ion. La selectividad iónica está relacionada con el radio iónico, la solvatación del ion y los restos aminoácidos, si bien, su complejidad impide desarrollar más este interesante tema (para un desarrollo más completo ver Coronado et al., 1980).
Apertura (“gating”). La existencia de un conjunto de residuos peptídicos cargados positivamente, colocados en la alfa hélice S4 actuarían como sensor de voltaje, de forma que, cuando se produce una despolarización, el campo eléctrico modificaría la estructura del canal, desplazando la subunidad S4 y permitiendo la apertura del canal.
Inactivación. Como ya se ha comentado, no todos los canales presentan esta propiedad ni en todos se produce la inactivación por idéntico mecanismo. Sin embargo, en los canales de K+ (recuérdese que el rectificador retrasado no inactiva), el mecanismo más común es el llamado de “bola y cadena” (Armstrong y Bezanilla, 1977).
Básicamente consiste en que en el extremo N-terminal de la molécula del canal (intracelular) hay un conjunto de residuos que presentan una estructura tridimensional en forma de “bola”, unida al resto del canal por una “cadena” de aminoácidos. Una vez que se ha producido la apertura del canal, la “bola” se desplaza, situándose en la boca interna del canal, bloqueándolo. En esta situación, el canal precisaría de una hiperpolarización para “extraer” la bola de la boca del canal y retirar la inactivación, de tal forma que el canal pueda volver a activarse con la despolarización.
Sin intentar hacer un listado exhaustivo de todos los canales descritos, nos centraremos brevemente en aquellos que tienen mayor trascendencia fisiológica (Brown, 1990;
Schwartzkroin y Mueller, 1987; para una descripción más detallada, ver Hille, 1991). Aunque existen otros tipos de canales de gran importancia—canales activados por un agonista químico—únicamente discutiremos los canales activados por voltaje.
Cada tipo neuronal tendrá un juego característico de conductancias, lo que explica sus diferentes propiedades tanto en la morfología del PA como en las características de repetitividad en el disparo de la neurona (Figura 6). Estas propiedades dependientes de las conductancias incorporadas en la célula, como son, por ejemplo, la repetitividad, juegan un papel fundamental en el funcionamiento del SN (Jahnsen, 1986; Llinás, 1988).