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LABORATORIO TRES: EFECTO DE LA TEMPERATURA SOBRE LAS NEURONAS
RESUMEN
En este laboratorio, podrás:
1. aprender cómo los cambios de temperatura afectan el disparo de espigas neuronales
2. observar los límites de temperatura a los que las neuronas dejan de disparar
OBJETIVOS
Antes de realizar este práctico debieras estudiar y entender:
 cómo se generan los potenciales de acción
 cómo operan los canales de sodio y potasio
 cómo la temperatura afecta las reacciones químicas
Después de realizar este práctico debieras ser capaz de:
 explicar el mecanismo por el cual las neuronas producen potenciales de acción
 describir por qué bajas temperaturas impedirían a una neurona generar potenciales de acción
 diseñar un experimento para determinar el rango de temperatura óptimo para la actividad neuronal
MATERIALES
 SpikerBox
 Computador con Audacity instalado o un dispositivo iPhone/iPad/Android con la aplicación Backyard
Brains instalada
 Cable de conexión al computador o cable de iPhone/Android
 Cucaracha
 Hielo seco o acceso a un congelador
 Una vela
 Una caja aproximadamente 5 - 6 centímetros más alta que la vela
 Termómetro digital
 Tijeras de disección
 Mondadientes
INTRODUCCIÓN
Para poder comprender el efecto que la temperatura puede tener sobre la comunicación neuronal, es
necesario conocer algunos detalles sobre la forma en que la comunicación se lleva a cabo. Hablamos
sobre los conceptos básicos de los potenciales de acción (PA) en el Práctico Uno; PAs se generan en la
membrana celular a través del movimiento de varios iones (Na+, K+, Cl-) a través de la membrana. Demos
ahora un vistazo más de cerca a los mecanismos de ese proceso, para ver el rol que juega la
temperatura.
La membrana celular es una doble capa de lípidos (grasas) de naturaleza hidrofóbica (no se mezclan con
agua). Esta bicapa lipídica es la barrera entre el interior y el exterior de la célula, permitiendo a la célula
mantener una concentración diferente de iones en su interior en relación a su exterior. De esta forma,
los iones se alinean en las superficies interior y exterior de la membrana, con un exceso de cargas
positivas (iones Na+) en el exterior de la membrana y un exceso de cargas negativas (iones Cl-) en el
interior. La separación de carga genera una diferencia de potencial eléctrico, o voltaje, a través de la
membrana llamada potencial de membrana en reposo. El potencial fuera de la célula se define como
cero, por lo tanto, el potencial de membrana en reposo es negativo, en un intervalo general de -60 mV a
-70 mV.
¿Cómo fluyen los iones a través de la membrana para
generar potenciales de acción? Las corrientes iónicas
son transportadas hacia dentro y hacia afuera de las
células a través de canales iónicos, proteínas que se
ubican a lo ancho de la membrana celular y se abren
para conducir iones específicos hacia el otro lado. En
células nerviosas, los canales iónicos son capaces de
conducir iones a velocidades extremadamente altas
(hasta 100 millones de iones por segundo). Los canales iónicos pueden estar activos en reposo, o ser
activados por un estímulo externo (como voltaje o sustancias químicas). Un canal en reposo puede ser
selectivo para iones Na+, K+, o Cl-. De hecho, la concentración resultante de iones dentro y fuera de la
célula por acción de estos canales es la responsable principal del potencial de membrana en
reposo. Además, Las bombas de iones activamente mueven iones dentro y fuera de la célula para
mantener estable el potencial de membrana en reposo.
Durante un potencial de acción, los cambios de voltaje activan canales de Na+, que permiten que estos
iones esparcidos sobre la membrana celular externa difundan rápidamente a la célula, generando un
empuje a un potencial altamente positivo de la membrana interna (despolarización). Este potencial de
membrana positivo hace que los canales de Na+
se cierren e instantáneamente que se abran
canales de K+, permitiendo que los iones K+ en
el interior de la célula difundan rápidamente
hacia el exterior, haciendo caer fuertemente el potencial de membrana en la dirección opuesta
(repolarización). En este punto, los canales de K+ se cierran, pero esta corriente de salida de iones K+ ha
llevado al potencial de la membrana por debajo del estado de reposo (hiperpolarización). Al cerrarse
estos canales iónicos dependientes de voltaje, los canales en reposo vuelven a dominar el proceso,
llevando un lento flujo de iones K+ hacia el interior de la célula, que devuelve la membrana a su estado
de reposo.
Estudios recientes han demostrado que la activación de canales iónicos muestra una dependencia en la
temperatura. Collins et al. (1972) deomstraron que la conductancia de los canales de Na+ depende de la
temperatura en una relación tipo Arrhenius (una ecuación para relacionar la constante de velocidad de
las reacciones químicas a latemperatura) definida por la siguiente ecuación:
Ln (1 / Τ) = ln F - Ea / (RT)
Donde T es la temperatura, Ea es la diferencia de niveles energéticos entre un canal iónico activado y
uno no activo (Energía de activación), y tanto F como R son constantes. Resolviendo la ecuación, se
obtiene que para la energía de activación,
Ea = RT * ln (TF)
Se observa que la energía de activación aumenta a medida que aumenta T, e inversamente, ésta bajaría
a medida que T es menor. El punto a destacar es que un canal iónico está más activo a temperaturas
más altas (la probabilidad que esté abierto es mayor), y menos activo a bajas temperaturas. En el año
2009, Fohlmeister et al. demostraron en células ganglionares de retina que los canales de sodio se
mostraron consistentemente “adormecidos" a temperaturas inferiores a 8 grados centígrados, y una
pérdida de espigas a T <7 º C (nota: diferentes tipos celulares tienen presentan distintos rangos de
temperatura, y las neuronas en este experimento son capaces de generar espigas sin problemas por
debajo de 7 º C).
Ahora surge una pregunta: ¿por qué? ¿Por qué el
comportamiento de las células neuronales depende de la
temperatura? ¿No sería maravilloso que las neuronas
funcionaran bien a cualquier temperatura? Siendo breves, la
respuesta es que cada proceso celular activo, incluyendo la
apertura y cierre de canales iónicos, es un tipo de reacción
química que requiere energía. Como regla general (aunque
hay muchas excepciones) el aumento de la temperatura
acelera y aumenta el número de reacciones químicas,
mientras que disminiur la temperatura que se hace este proceso más lento. Incluso, a temperaturas
extremadamente frías, una reacción química puede ser detenida completamente, lo que en este
ejemplo podría conducir a que los canales iónicos no se abran y por lo tanto no se iniciaría potencial de
acción alguno.
Si bien temperaturas crecientes pueden acelerar reacciones
químicas dentro de ciertos rangos, también tenemos que
considerar que un aumento excesivo de la temperatura
puede causar daño a la célula por otras vías. La membrana
celular está compuesta de lípidos, y la transición de lípidos en
un estado sólido y ordenado (llamado un gel) a un estado
líquido y desordenada (llamado "fluido") está
La membrana lipídica se descompone a altas T°
basada en la temperatura. Estos umbrales de
Temperaturas
temperatura de transición difieren según el tipo de
lípido y el entorno, pero una vez que estos umbrales son traspasados la membrana celular lipídica puede
perder su integridad, resultando en la muerte de esa célula.
CONFIGURACIÓN
Computer Setup
El uso de un computador para los aspectos más básicos de este experimento no es necesario,
ya que la SpikerBox está equipada con un pequeño altavoz. Sin embargo, con el fin de realizar
algunos de los análisis descritos en este manual, un computador será imprescindible.
Existen varias opciones gratuitas para capturar y analizar los datos de su SpikerBox.
Aplicación de Backyard Brains para iPhone/iPad: Esta aplicación puede ser descargada a
través de iTunes. La aplicación se puede encontrar en el siguiente enlace:
Aplicación de Backyard Brains para iPhone/iPad
Para utilizar esta aplicación, tendrás que comprar o hacer un cable de audio para conectar el
SpikerBox a su iPhone/iPad.
Audacity: Audacity es un programa gratuito diseñado para la edición y grabación de
sonidos. Aunque no es el propósito original del software, Audacity es una manera perfecta para
convertir la señal amplificada de la SpikerBox en datos visuales y registrables. Audacity
funciona tanto en Windows, Mac OS X y Linux / Unix. El sitio web de Audacity se puede
encontrar en el siguiente enlace:
Página de Audacity
Una vez que Audacity haya sido instalado, referirse al siguiente procedimiento:
Configuración de Audacity
1. Si utilizas un computador portátil, carga la batería completamente y registra desde el
SpikerBox mientras está desenchufado. Al estar el computador enchufado, el SpikerBox
amplificará la corriente que corre a través del sistema eléctrico del edificio. El resultado
será un aumento en el ruido eléctrico registrado por Audacity. Registrar utilizando
únicamente la batería del computador portátil disminuirá la cantidad de ruido eléctrico.
2. Si utilizas un computador portátil, ajustar el brillo de la pantalla al máximo. De igual
forma a los efectos del cableado eléctrico en las grabaciones, una pantalla LCD con
poca luz creará una cantidad significativa de ruido que puede ser amplificada por el
SpikerBox.
3. Conecta tu computador portátil al SpikerBox con un cable de audio macho a
macho. Este cable es exactamente el mismo que un cable de audífonos, pero con un
conector macho en cada extremo.
4. Abre Audacity, anda a Archivo Preferencias. Nota: Debido a diferencias entre las
versiones de Audacity, pueden encontrarse diferencias en la organización de la ventana
Preferencias. Los valores principales que necesitas configurar son los mismos, a pesar
que se vean un poco diferentes en la pantalla.
5. En la ventana Preferencias, seleccione la pestaña Audio I/O. En algunas versiones
esta ventana se encuentra en la pestaña Dispositivos.
6. Selecciona Dispositivo de audio incorporado como dispositivo de grabación desde
el menú desplegable.
7. Selecciona 1 (Mono) del menú desplegable canales.
8. Seleccione Built-in de salida como el dispositivo de reproducción a partir del menú
desplegable.
9. Los siguientes pasos se encuentra en las pestañas de Audio I/O o Grabación en la
ventana Preferencias. Las siguientes casillas se señalan en el orden en que aparecen:

Marca la casilla: Remezclar: reproducir otras pistas mientras se graba una
nueva.

Check la casilla: Reproducción a través del Hardware
 Check la casilla Reproducción a través del Software
10. Selecciona la pestaña Calidad. Establezca la frecuencia de muestreo
predeterminada en 44100 Hz (o 44.100 veces por segundo).
11. Ahora Audacity debiera estar configurado para grabar desde tu SpikerBox.
A continuación se muestran ejemplos de cómo la ventana Preferencias debiera estar
configurada. Ten en cuenta que tu versión de Audacity puede parecer diferente, pero la
configuración será la misma. Se muestran dos ejemplos, con los ajustes más importantes
resaltados.
PROCEDIMIENTO
Ejercicio 1: Respuesta Neuronal al Frío
1. Prepare una pata de cucaracha, como se
describe en el práctico 1.
2. Coloque la SpikerBox en el congelador de un
refrigerador común. Asegúrese que el cable es
lo suficientemente largo alcanzar su
computador portátil desde el congelador, y que
permanezca conectado a la SpikerBox en el
interior. Tenga en cuenta que un refrigerador
activo puede generar mucho ruido eléctrico,
por lo que quizás podrías desenchufar el
congelador frío o, como alternativa, utilizar un
cooler de hielo seco.
3. Coloque un termómetro digital en el
congelador
4. Escuche a los disparos neuronales por 1 - 3 minutos.
5. A una temperatura determinada las espigas debieran desaparecer. Abra el congelador y
registre la temperatura que indica el termómetro. Una ayuda: la temperatura debiera estar
por debajo del punto de “congelación”, ya que alrededor de -1°C no es suficientemente
frío. Si utiliza agua con hielo en lugar de hielo seco en el cooler, las espigas no van a
desaparecer.
6. Retire la SpikerBox y el termómetro digital del congelador, y vuelva a escuchar hasta que
las neuronas empiecen a disparar de nuevo. Anote la temperatura y el tiempo que toma
para que las espigas vuelvan a aparecer.
7. Repita tres veces los pasos 1-6
Ejercicio 2: Respuesta neuronal al calor
1. Coloque la SpikerBox encima de la caja, y
mantenga el electrodo con la pata de la
cucaracha adjunta “colgando libre" 13-15
centímetros por encima de la vela
2. Posicione el sensor del termómetro digital de
forma tal de poder medir la temperatura exacta
en la pata. Anote la temperatura inicial de la
habitación.
3. Encienda la vela.
4. Escuche los disparos de las neuronas. A
medida que la temperatura se eleva
lentamente, debiera empezar a oír la
respuesta de las neuronas.
5. A una temperatura determinada, las descargas
neuronales se empezarán a escuchar como
una especie de grito muy atenuado. Anote la temperatura a la que esto sucede, y apague la
vela.
6. Cuando el termómetro indique que la pata ha vuelto a la temperatura ambiente inicial,
pruebe si puede escuchar las espigas nuevamente
7. Repita tres veces los pasos 1 -6
PREGUNTAS DE DISCUSIÓN
1. ¿Cómo respondieron las neuronas al ser situadas a bajas temperaturas? La respuesta, ¿fue
repentina, o gradual? Explicar.
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2. En algunos días de invierno particularmente fríos (en algunas partes del mundo) la
temperatura exterior puede llegar a estar por debajo de las temperaturas utilizadas en este
experimento; sin embargo, los animales son capaces de sobrevivir y moverse sin
problemas. ¿Que posibles razones puede encontrar para explicar por qué las neuronas en
estos animales no dejar de disparar?
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3. ¿De qué manera responden las neuronas al ser situadas a temperaturas muy altas? Esta
respuesta, ¿fue repentina, o gradual? Explicar.
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4. A ambos extremos de temperatura, la neurona deja de disparar, pero en el caso de uno de
los extremos la célula es capaz de volver a disparar, mientras que para el otro extremo, esto no
sucede. ¿Cuál temperatura extrema representa cada caso? ¿Qué podría estar reflejando esta
diferencia?
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