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Señales neurales
Capítulo 40
Dr. Robert J. Mayer
UPR en Aguadilla
Objetivos
•
Comprender la forma en que la información
fluye a través del sistema nervioso
•
Describir lo que son neuronas y células gliales
•
Describir la forma en que la información es
transmitida a lo largo de una neurona
•
Comprender lo que es integración neural
a través de una sinapsis
•
Poder definir y describir un circuito neural
Los organismos responden al estímulo
• La habilidad de un organismo para sobrevivir depende mucho de
cuan efectiva es la detección y la respuesta al estímulo
• Estímulo – algún cambio en el ambiente
Internos
Externos
Las respuestas a estímulos dependen
de la transmisión de impulsos nerviosos
Esto es así en casi todos
los animales
• En casi todos los organismos las neuronas y las células
asociadas a estas están organizadas en un sistema nervioso
• Las conexiones entre las neuronas determinan como
los organismos responden al estímulo
External Stimulus
(e.g. vibration, movement,
light, odor)
“Neural signaling”
La respuesta apropiada
a un estímulo depende
de la comunicación entre
neuronas
Internal Stimulus
(e.g. change in blood
pH or blood pressure)
RECEPTION
Detection by
external
sense organs
Detection by
internal
sense organs
TRANSMISSION
Sensory (afferent) neurons
transmit information
INTEGRATION
Las neuronas aferentes transmiten
información a las interneuronas en
en el SNC (CNS) las cuales integran
la información que entra con la acción
resultante
Central Nervous System
(brain and spinal cord)
Information interpreted and
response initiated
TRANSMISSION
Motor (efferent) neurons
transmit impulses
Action by effectors
(muscles and glands)
El 99 % de las neuronas en el
ser humano son interneuronas
e.g. animal
runs away
e.g. respiration
rate increases;
blood pressure
rises
SISTEMA
NERVIOSO
PERIFERAL
Neuronas y células gliales
• Células gliales (neuroglia) – son células que le dan apoyo y
protegen las neuronas.
• Neuronas – estan especializadas para enviar y recibir
información.
El cuerpo humano tiene 10 veces mas células gliales
que neuronas
Tres tipos principales de células
gliales en el SNC
1. Microglia – son células fagocíticas que remueven
desperdicios y se encuentran cerca de
los vasos sangunieos en el sistema nervioso.
2. Astrocitos – son células gliales en forma de estrella cuya
función es proveerle glucosa a las neuronas
Astrocyte processes with end feet are
applied to the walls of blood vessels
forming a continuous glial membrane
surrounding blood vessels and capillaries.
This important component of the so-called
blood-brain barrier modifies the diffusion
of substances from the blood to the
extracellular fluid
Help regulate the composition of the
extracelular fluid in the CNS by removing
potassium ions and excess neurotransmitters
3. Oligodendrocitos – células gliales que envuelven las
neuronas en el SNC formando capas
de aislación eléctrica. El compuesto
aislador se conoce como mielina
La mielina es una sustancia grasosa
que se encuentra en la membrana
plasmática de la célula
Oligodendrocitos
Esclerosis multiple
3. Células de Schwann – tipo de célula glial localizada fuera
del SNC. Forman capas de mielina
alrededor de algunas axonas.
Esclerosis multiple
Neuronas
Células altamente especializadas para recibir estímulos y para transmitir
impulsos nerviosos también conocidos como potenciales de acción
Dendrites covered
with dendritic spines
Synaptic terminals
Cytoplasm
of Schwann
cell
Axon
Cell body
Collateral
branch
Nucleus
Myelin
sheath
Nucleus
Axon
Nodes of
Ranvier
Schwann
cell
Terminal
branches
(a)
1 mm
Cell body integrates incoming signals
Fig. 39.02
Estructura de un nervio (fuera del CNS)
Ganglion (cell bodies of neurons)
Cell bodies
Myelin sheath
Célula de Schwann
Vein
Artery
Axon
Fig. 39.03a
100 µm
(b)
Fig. 40-3b, p. 848
Estructura de un “tract” o “pathway”
(dentro del CNS)
Nucleus (cell bodies of neurons)
Cell bodies
Myelin sheath
Vein
Artery
Axon
Oligodendrocito
Datos importantes
Las axonas de mas de 2 µm en diametro tienen capas
de mielina mientras que aquellas que son mas pequeñas
usualmente carecen de capas de mielina
La unión entre un terminal sináptico y otra neurona se
conoce como sinapsis
Sinapsis
Transmisión de información a
lo largo de la neurona
La célula animal casi siempre tiene un diferencia en
cargas eléctricas a través de la membrana – son
mas negativas en el interior que en la parte exterior
= membrana celular polarizada
A través de una membrana polarizada existe un gradiente
de voltage eléctrico
El voltaje medido a través de la membrana se conoce
como el potencial de la membrana (membrane potential)
La membrana de la neurona
tiene un potencial de descanso
(resting potential)
“Resting potential” – el potencial de la membrana en una
neurona o célula muscular en descanso
(-70 mV)
Voltaje – es la fuerza que causa que las partículas cargadas
fluyan entre dos puntos
Factores que determinan la magnitud
del potencial de la membrana
1. Diferencias en la concentración de iones específica
dentro de la célula en comparación con el exterior
2. Permeabilidad selectiva de la membrana celular a ciertos
iones
La membrana
es aproximadamente
hasta 100 veces
mas permeable
a iones de K+ que
de Na+
Axon
-70 mV
Plasma
membrane
Amplifier
Electrode placed
inside the cell
Electrode placed
outside the cell
(a)
Difusión de iones de acuerdo al gradiente de concentración
Extracellular fluid
3 Na+
Diffusion out
La concentración de
iones de K+ es
aproximadamente
10 veces mayor dentro
que fuera de la célula
Plasma
membrane
Na/K
pump
Diffusion in
Cytoplasm
(b)
2 K+
La concentración de
iones de Na+ es
aproximadamente
10 veces mayor fuera
que dentro de la célula
La distribución asimétrica de iones a través de la
membrana celular en reposo es causada por la acción
de:
1. Canales iónicos selectivos
2. Bombas de iones
Tipos de canales iónicos
1. Pasivos (e.g. canales de potasio)
2. Activados por voltaje
3. Activados químicamente
FLUIDO EXTRACELULAR
• Las células son mas
permeables a los iones de K+
que a otros iones
• Los iones de Na+ bombeados
fuera de la célula no pueden
regresar muy facilmente al
interior de la célula
CITOPLASMA
• Los iones de K+ que se
mueven al exterior de la célula
causan que entren a la célula
otros iones positivos
• Los iones de K+ bombeados
hacia el interior de la célula
pueden regresar muy
facilmente al exterior
de la célula
Potencial de equilibrio
Estado de pasividad en el cual los flujos
opuestos eléctricos y químicos son iguales
resultando en la ausencia de movimiento
de iones
Potencial de equilibrio para K+
El potencial de la membrana en el cual el flujo de K+
hacia el interior de la célula es igual al flujo en la dirección
contraria (hacia afuera)
El potencial de descanso de la neurona
es bien parecido al potencial de equilibrio
de K+ debido a la alta permeabilidad de
la membrana a este ion
El potencial de descanso de una neurona
es de -70 mV
El potencial de descanso de la neurona
es establecido principalmente por K+
Los iones de Cl – contribuyen levemente al
potencial de descanso de la neurona ya que
la membrana es permeable a iones negativos
Estos iones se acumulan en el citosol cerca
de la membrana celular
Hay ciertas proteínas que también
contribuyen a la carga negativa del citosol
Bomba de sodio y potasio
Mantiene los gradientes que determinan
el potencial de descanso
Por cada 3 Na+ que se bombean hacia afuera
se bombean 2 de K+ hacia el interior de la
célula
La bomba de sodio y potasio mantiene una concentración alta de K+ dentro de
la célula y una mayor concentración de Na+ afuera que adentro
La magnitud de las señales varía
Las neuronas son células excitables
Responden a estímulos y los convierten
en impulsos nerviosos
Un estímulo eléctrico, químico o mecánico
puede alterar el potencial de descanso
de una neurona mediante un aumento en
la permeabilidad de la membrana a los
iones de Ca +
Estímulo
La membrana se
hace menos negativa
(mas cerca al 0) que el
potencial de descanso
DEPOLARIZACIÓN
La neurona está mas cerca
a la transmisión de un
impulso
EXCITACIÓN
La membrana se
hace mas negativa
(mas lejos del 0) que el
potencial de descanso
HYPERPOLARIZACIÓN
La neurona se aleja del
poder transmitir un impulso
INHIBICIÓN
Un estímulo podría alterar el potencial
de la membrana en un área pequeña
de la membrana plasmática
Potencial graduado
Una respuesta local que funciona como una
señal solamente a una distancia corta.
Varía en magnitud; la carga potencial varía de
acuerdo a la magnitud del estímulo
Toda célula, teóricamente, podría generar un
potencial graduado
Potencial de acción
El potencial de acción es generado por un flujo
interno de Na+ y un flujo externo de K+
Potencial de acción – una excitación eléctrica que
viaja rápidamente por un axón hacia los terminales
sinápticos
Solamente pueden ser generados por neuronas,
células musculares y otras células (sistema
endocrino e inmunológico)
Extracellular
fluid
-70mV
-55mV
Activation
gate
Inactivation
gate
Cytoplasm
(a) Sodium channels
(b) Potassium channels
Canales iónicos activados por voltaje – poseen regiones
cargadas electricamente que actúan como “portones”
Axon
Extracellular
fluid
Sodium
channel
Potassium
channel
Cytoplasm
1
Resting state.
2
Depolarization.
3
Repolarization.
4
Return to resting
state.
(b) The action of the ion channels in the plasma membrane determines the
state of the neuron.
Fig. 40-7b, p. 853
Nivel de umbral (threshold level) – voltaje mínimo
(o crítico) para que se genere un potencial de
acción
Las membranas de la mayoría de las neuronas
pueden depolarizarse a un potencial de aprox.
-55 mV sin que se “dispare” un potencial de acción
Cuando la despolarización es mayor que – 55 mV,
un potencial de acción es generado
La membrana rápidamente alcanza un potencial
de 0 hasta puede llegar hasta + 35 mV o más
a medida que se invierte la polaridad
Membrane potential (mV)
40
Axon
Spike
20
0
Depolarization
Repolarization
-20
Threshold
level
-40
Resting
state
-60
-80
0
1
2
3
4
5
6
7
Time (milliseconds)
(a)
Extracellular
fluid
Sodium
channel
Potassium
channel
(b) Resting state,
Voltage-activated Na+ and K+
channels are closed.
(c) Depolarization.
Voltage-activated Na+ channels
open. Na+ ions enter cell; inside
of neuron becomes positive
relative to outside.
(d) Repolarization.
(e) Return to resting state.
Voltage-activated Na+ channels Voltage-activated Na+ and K+
close; K+ channels are open; K+ channels close.
moves out of cell, restoring
negative charge to inside of cell.
CERRADOS
Tarda un aprox. 1 ms, en este periodo de tiempo la membrana
no puede transmitir otro potencial de acción = PERIODO REFRACTORIO ABSOLUTO
Voltage-Activated Ion Channels
During an Action Potential
La entrada de Na+ depolariza aun más la membrana
causando que mas canales de Na+ se abran.
Esto se conoce como un mecanismo de retroalimentación
positiva (“positive feedback mechanism”)
“Positive feedback mechanism” - un cambio en una condición
causa una respuesta que intensifica el cambio
Membrane potential (mV)
40
Axon
Spike
20
0
Depolarization
Repolarization
-20
Threshold
level
-40
Resting
state
-60
-80
0
1
2
3
4
5
6
7
Time (milliseconds)
(a)
Cocaina, novocaina, xylocaina
Extracellular
fluid
Sodium
channel
Potassium
channel
(b) Resting state,
Voltage-activated Na+ and K+
channels are closed.
(c) Depolarization.
Voltage-activated Na+ channels
open. Na+ ions enter cell; inside
of neuron becomes positive
relative to outside.
(d) Repolarization.
(e) Return to resting state.
Voltage-activated Na+ channels Voltage-activated Na+ and K+
close; K+ channels are open; K+ channels close.
moves out of cell, restoring
negative charge to inside of cell.
Canales de Na+ estan “reset” = Periodo refractorio relativo = dura unos ms mas = la axona puede
transmitir un impulso pero el umbral es mas alto
El potencial de acción es una
respuesta de “todo o nada”
Solamente un estímulo que sea suficientemente
fuerte para despolarizar la membrana y llevarla
su nivel de umbral crítico resultando en la
transmisión del impulso a lo largo del nervio.
¿Entonces por qué la intensidad del dolor puede
variar tanto?
El potencial de acción se propaga solo
Stimulus
Axon
Area of depolarization
Action potential
Area of repolarization
Potassium
channel
Sodium
channel
Area of depolarization
Action potential
Onda de
depolarización
Area of repolarization
Area of depolarization
Action potential
(2) As action potential progresses along axon, repolarization occurs quickly
behind it.
Fig. 40-8b, p. 854
• Conducción continua – transmisión progresiva
de impulsos continuos
– Ocurre en axonas que carecen de capas de mielina
– Se lleva a cabo en la membrana celular de la axona
completa
– La velocidad de la transmisión es relativa al
diametro de una axona sin mielina (menor resistencia
al flujo de electrones).
Neuronas mielinadas
• Presente en los vertebrados
• Transmisión de alta velocidad
Lugar donde se encuentran los canales de Na+ y K+
• Conducción saltatoria (50 X)
– Mas rápida que la continua
– Se lleva a cabo solamente en neuronas
mielinadas
– La despolarización “salta” a lo largo de la
axona de un nódulo de Ranvier al próximo
¡ Requiere menos energía !
Conducción
saltatoria
• Sinapsis
– Unión entre dos neuronas o entre una neurona y un
efector
– La mayor parte de las sinapsis son químicas
– La transmisión depende de la secreción de un
neurotransmisor contenido en vesículas sinápticas
localizadas en las terminaciones sinápticas de la
neurona pre-sináptica
– Las sinápsis eléctricas las neuronas pre y postsinópticas están bien unidas y conectadas por
uniones de hendidura
Sinapsis eléctrica
Sinapsis eléctrica
Ca 2+ transportados
desde el fluido extracelular.
Causan que las vesículas
sinápticas se fundan con la
membrana
Sinapsis eléctrica
Presynaptic
terminal
Synaptic
vesicles
Neurotransmitter
molecules
Receptor
0.25 µm
Plasma
membrane of
postsynaptic
neuron
Synaptic Na+
cleft
• Neurotransmisores
• Se cree que hay alrededor de 60 compuestos
diferentes que funcionan como neurotransmisores
– Acetilcolina
• Contracción muscular
– Glutamato
• Principal neurotransmisor excitatorio en el
cerebro
• Efectos de “angel dust”
– GABA
• Neurotransmisor inhibidor
El diazepam (Valium), alprazolam (Xanax)
aumentan la acción de GABA
– Aminas biogénicas
• Norepinefrina (adrenergic neurons)
• Serotonina
• Dopamina
• Juegan papeles importantes en la regulación
de los estados anímicos del ser humano
• La Dopamina es importante para la función
motora
Desbalances = ADD = depresión = esquizofrenia
– Neuropéptidos
– Endorfinas
• Enkefalinas
(se unen a receptores bloqueando las señales del
dolor)
– Óxido nítrico (NO)
• Neurotransmisor gaseoso que transmite señales
de una neurona postsináptica a una presináptica
• Transmisión sináptica
– Los iones de Calcio causan que las
vesículas sinápticas se fundan con
la membrana presináptica y liberen
el neurotransmisor en el espacio sináptico
– El neurotransmisor se combina con un
receptor específico en la neurona
postsináptica
Transmisión sináptica
Receptores de neurotransmisores
– Muchos son proteínas que forman “ligandgated ion channels”
– Otros trabajan a través de mensajeros
secundarios como el cAMP
e.g. Acetilcolinesterasa
“Reuptake”
Algunas drogas [e.g. fluoexetina (Prozac) - serotonina, cocaína dopamina] evitan que se absorban algunos
neurotransmisores
La membrana postsináptica puede tener receptores para
varios neurotransmisores.
Estos receptores pueden ser:
a. inhibidores
b. exitadores
Presynaptic neuron
Presynaptic neuron
Action
potential
Action
potential
Ca2+
Ca2+
Synaptic
cleft
Neurotransmitter
Neurotransmitter
Postsynaptic
neuron
Postsynaptic
neuron
Na+
Cl–
Neurotransmitter
Neurotransmitter
-20
-40
EPSP
Threshold level
-60
-80
0
(a) Excitatory input
1
2
3
4
5
Time (milliseconds)
6
7
Membrane potential (mV)
Membrane potential (mV)
Plasma membrane
of postsynaptic
neuron
-20
-40
Threshold level
-60
IPSP
-80
0
1
2
3
4
5
6
7
Time (milliseconds)
(b) Inhibitory input
Fig. 39.11
• Señales exitatorias e ihibidoras
– Excitatory postsynaptic potential (EPSP)
• Acerca la neurona a dispararse – depolariza
(e.g. de -70 mV a -60 mV)
– Inhibitory postsynaptic potential (IPSP)
• Algunas combinaciones de neurotransmisor –
receptor alejan las neuronas de llegar a dispararse
– hiperpolariza
(e.g. de -70 mV a -80 mV)
• Una neurona postsináptica integra estímulos
entrantes y “decide” si va a “disparar el impulso”
o no
• Cada EPSP o IPSP es un potencial gradual
– Varía en magnitud dependiendo en la fuerza del
estimulo aplicado
• El mecanismo de integración neural se
conoce sumación
– Mediante la suma de varios EPSPs la
neurona puede llegar mas cerca a disparar un
impulso – uno solo no es suficiente
Integración neural es el proceso de sumar o
integrar las senales que entran a una neurona
• Sumación temporal
– Una serie de estímulos causan que un nuevo
EPSPs se desarrolle antes que el EPSP anterior
se desaparezca
• Sumación espacial
– Ocurre cuando varios terminales sinápticos
cercanos liberan neurotransmisores
simultaneamente causando que una neurona
postsináptica se estimule en diferentes sitios a la
vez
Circuítos neurales
Convergencia
Divergencia
Reverberación
• Convergencia
– Ocurre cuando una sola neurona es
controlada por señales convergentes
provenientes de dos o mas neuronas
presinápticas
– Le permite al SNC integrar información de
varias fuentes
• Divergencia
– Cuando algunas neuronas presinápticas
estimulan varias neuronas postsinápticas
– Permite que se disperse el efecto de una
neurona
• Reverberación
– Un axon colateral esta conectado a una
interneurona