Bases fisico-químicas y modelado del tejido excitable.

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1 Bases fisico-químicas y modelado del tejido excitable.
núcleo de ingeniería biomédica facultades de ingeniería y medicina universidad de la república

2 Introducción Entre las células excitables se pueden distinguir principalmente las nerviosas (o neuronas) y las células musculares. NEURONAS - transmiten a otras y a células musculares, el impulso excitatorio. Característica fundamental para la formación del sistema nervioso. CÉLULAS MUSCULARES – Son las responsables de la contracción y distensión del tejido muscular. El músculo esquelético se compone de numerosas células musculares. La excitación de estas células generan mediante mecanismos químicos la contracción o distencsión de los músculos. En organismos complejos existen dos sistemas para la integración de información y generación de respuestas: Sistema Endócrino: que envía las órdenes a través de hormonas que inyecta a la sangre, generando respuestas en los órganos (por ej: corazón). Acción difusa y lenta. Sistema Nervioso: que envía órdenes a través de las redes neuronales o vías nerviosas, dirigidas directamente a cada órgano.

3 Introducción SISTEMA NERVIOSO PERIFÉRICO – Proyecciones del tejido nervioso desde los órganos centrales (cerebro, cerebelo, médula, etc) hasta los órganos periféricos. SISTEMA NERVIOSO CENTRAL – Constituido por encéfalo superior, encéfalo inferior y médula. Encéfalo inferior: Encargado de las funciones que no requieren atención consciente dirigida (sistema vestibular, respiración, etc.)‏ Encéfalo superior: Funciones conscientes, memoria. Médula: Vía de conducción de señales desde la periferia hasta el encéfalo.

4 Funciones del sistema nervioso
Funciones sensoriales: Los estímulos recibidos por neuronas especializadas llegan a través del SNP al SNC. Funciones motoras: Control y regulación de actividades corporales. Se regulan músculos esqueléticos y lisos, glándulas, etc. Funciones superiores: Elaboración de planes o ideas de actuación propios, utilizando la memoria.

5 Histología de la neurona
Soma - contiene el núcleo celular y ocurre la síntesis proteica. Dendritas - mayor parte de la estimulación de la célula. Axón - extensión fina, semejante a un cable miles de veces el tamaño del soma. Transmite el impulso nervioso al exterior de la neurona. La neurona o célula nerviosa, es la célula excitable por excelencia, siendo estimulable eléctricamente. Su función es codificar y transmitir información mediante el estímulo nervioso; a su vez dicha información es procesada por el cerebro y la médula espinal. Están compuestas de un Soma o cuerpo celular, un árbol de dendritas y el axón. La mayoría de las neuronas de los vertebrados reciben los estímulos eléctricos en el soma o en el árbol de dendritas y transmiten el mismo a través del axón. Las células neuronales se comunican a través de sinapsis electroquímicas. El proceso fundamental que dispara la transmisión sináptica es el llamado potencial de acción. Las neuronas están altamente especializadas en el procesamiento y transmisión de señales bioeléctricas. Dada la diversidad de funciones que realizan en distintas partes del sistema nervioso, existe una gran variedad de tamaños, formas y propiedades electroquímicas de las mismas. Por ejemplo, el soma de una neurona puede variar de 4 a 100 micrones de diámetro. El soma es la parte central de la neurona. Contiene el núcleo celular y es donde ocurre la síntesis proteica de la neurona. El núcleo varía de 3 a 18 micrones de diámetro. Las dendritas de la neurona son extensiones celulares de muchas bifurcaciones, por lo que se las conoce también como árbol de dendritas. Es en las dendritas donde ocurre la mayor parte de la estimulación eléctrica de la célula. El axón es una extensión fina, semejante a un cable que puede extenderse hasta miles de veces el tamaño del diámetro del soma. El axón transmite las señales eléctricas hacia el exterior de la célula y generalmente estará cercano a otro árbol dendrítico de la red neural, para realziar la sinapsis con otra neurona. Cabe destacar que si bien la función principal de las dendritas es recibir el estímulo, se ha visto casos donde también la dendrita transmite estímulos hacia el exterior de la célula.

6 Histología de la neurona
La mayoría de las neuronas de vertebrados reciben el estímulo electroquímico en el soma o dendritas y lo transmiten a través del axón. Dicha transmisión se llama Transmisión sináptica.

7 Membrana celular En el interior y exterior de la célula existen iones en distintas concentraciones. La membrana celular es semipermeable para estos iones. La semipermeabilidad permite el movimiento pasivo de iones. El reposo se alcanza cuando existe equilibrio electroquímico.

8 Membrana celular

9 Membrana celular Equilibrio electroquímico
Las concentraciones iónicas y la diferencia de potencial eléctrico generado, se cancelan logrando un movimiento neto nulo de iones. La distribución iónica no es simétrica a ambos lados de la membrana celular. gradientes de concentración potencial eléctrico de reposo

10 Difusión a través de la membrana celular
DOS TIPOS: PASIVA O FACILITADA. Difusión por canales iónicos específicos. Regulan el pasaje de iones específicos. Sus características pueden cambiar con estímulos externos. La difusión se da en favor de los gradientes de concentración. ACTIVA. Bombas: transportan en contra de gradientes, consumen ATP (energía).

11 Equilibrio electroquímico
Ecuación de Nernst-Planck R : Constante de los gases (8,31 J/K.mol)‏ Z : Valencia iónica T : Temperatura F : Constante de Faraday Pej: -90mV para el K

12 Equilibrio electroquímico
Ecuación de Nernst-Planck

13 Equilibrio electroquímico
POTENCIAL DE REPOSO Ecuación de Goldman-Hodgkin y Katz Donde Pi es la permeabilidad del ión i a través de la membrana celular.

14 Modelado de la membrana celular
Comportamiento eléctrico característico, Circuito equivalente de una célula esférica. Vm es el potencial de reposo, rm y Cm las resistencia y capacidad de la célula. Cm tiene un valor aproximado de 1 uF/cm²

15 Modelado de la membrana celular
Componentes de las conduc-tancias de Na+ y K+ con sus respectivos potenciales de equilibrio.

16 Canales iónicos Los canales iónicos son canales dependientes de voltaje: La variación de voltaje transmembrana modifica la permeabilidad de los canales, generando corriente iónica en favor de los gradientes electroquímicos.

17 Fenómenos eléctricos Potencial transmembrana puede modificarse por estímulos mecánicos, eléctricos, térmicos o químicos. Estímulos: Baja intensidad: Potencial local Alta intensidad: Potencial de acción

18 Potencial local El exceso de cargas eléctricas introducidas en la célula nerviosa, por estimulación eléctrica, causa una variación del potencial transmembrana. Esto induce un flujo neto de iones (principalmente K+). No ocurren cambios sustanciales en las permeabilidades de los canales iónicos. Dura de 10 a 15 ms. Tras lo cual se recupera las concentraciones iónicas y el potencial de reposo.

19 Potencial local

20 Potencial local No es autopropagable. Se extiende pocos mm.
Pueden tener signo positivo o negativo. Entrada de cargas positivas: depolarizante. Entrada de cargas negativas: hiperpolarizante. Son potenciales sumables.

21 Potencial de acción Si un estímulo o la suma de varios supera los 20 mV de depolarización, (sube de -70 mV a - 50 mV), se producen variaciones en las permeabilidades de los canales iónicos, provocando cambios bruscos de flujos iónicos y potencial transmembrana. Esto se llama Potencial de Acción. Se llama Potencial de Umbral, al cambio mínimo necesario para producir un Potencial de Acción.

22 Potencial de acción Fases del potencial de acción:
Depolarización: 0,2 a 0,5 ms. Se alcanza un voltaje de hasta +30 mV. Repolarización: 0,5 ms. El voltaje vuelve al valor de potencial de reposo. Post-potencial hiperpolarizante: El voltaje desciende por debajo del potencial de reposo.

23 Potencial de acción Ley del “Todo o nada”.
Amplitud variable, depende de del equilibrio iónico y permeabilidades de la neurona. Implica la apertura de canales iónicos dependientes de voltaje. Corta duración (1 a 2 ms). Depolarizante. No es sumable. Autopropagable por toda la membrana neuronal.

24 Potencial de acción

25 Potencial de acción Gráfica de corrientes (flujo iónico) frente a voltaje (potencial de membrana), ilustrando el umbral (flecha roja) del potencial de acción de una célula ideal.

26 Potencial de acción Al final existe un desequilibrio ionico que es constantemente restaurado con la Bomba Na/K. Se consume ATP, se introducen iones K+ y se extraen iones Na+, en contra de los gradientes electroquímicos, buscando el equilibrio electroquímico.

27 Potencial de acción Existe el llamado Período Refractario.
Debido a que la permeabilidad de los canales de Na+ queda inactivada durante un breve lapso posterior al Pontencial de Acción. Esto da la direccionalidad en la propagacion del impulso. El Período Refractario Absoluto, es el lapso en el cual no se produce ningún potencial de acción, cualquiera sea la intensidad del estímulo (duración entre 1 y 2 ms). El Período Refractario Relativo, es el lapso en que puede producirse un Potencial de Acción, pero con un estímulo superior al normal.

28 Propagación del potencial de acción

29 Propagación del potencial de acción
Existen axones mielínicos y amielínicos. Amielínicos: Conducción continua. Mielínicos: Conducción saltatoria. A lo largo del axón mielínico existen espacios sin mielina llamados Nodos de Ranvier. En estos nodos se genera el potencial de acción. La propagación saltatoria consume menos cantidad de energía al tener que mover menos iones la Bomba Na/K.

30 Propagación del potencial de acción entre neuronas
La terminación del axón se llama “cono axónico”. Tiene mayor densidad de canales iónicos, lo que la hace más fácilmente excitable. Los terminales axónicos son zonas especializadas en liberar neurotransmisores que son los responsables de mediar en la sinapsis. Las dendritas se ubican en la postsinapsis, obteniendo un estímulo químico que genera un Potencial de Acción.

31 Conexión neurona-neurona

32 Sistema muscular núcleo de ingeniería biomédica
facultades de ingeniería y medicina universidad de la república

33 Juntura neuromuscular
De la espina dorsal a músculos esqueléticos llegan fibras motoras eferentes. Cada fibra controla un grupo específico de músculos. Para músculos grandes cada fibra nerviosa controla entre 100 y 200 fibras musculares. Para la motricidad fina, cada fibra nerviosa controla hasta 6 fibras musculares. Estimular una fibra nerviosa produce la contracción de todos los músculos asociados a la fibra.

34 Tejido muscular Tres tipos de músculos: De contracción voluntaria:
Músculo esquelético: mayor volumen, 40% de la masa corporal. De contracción involuntaria inervada: Muslo liso: tracto digestivo, vasos sanguíneos (no se tratara en este curso) De contracción involuntaria no inervada: Músculo cardíaco: miocardio (próxima clase)

35 Músculo esquelético Estructura: Haz de fibras.
Fibra muscular: es la célula muscular, miocito, 10 a 100um de diámetro. Miofibrilla: unidad básica, dan el aspecto estriado. Miofilamentos: miosina (gruesos) y actina (delgados).

36 Músculo esquelético Miofibrilla: Bandas:
Banda A: bandas oscuras, miosina y actina. Banda I: bandas claras, actina. Banda H: bandas pálidas, miosina. Sarcómero: unidad funcional comprendida entre líneas Z por una banda A y dos medias bandas I. Longitud dependiente de la contracción.

37 Músculo esquelético Miofilamentos: Delgado: Grueso:
Unas 300 moléculas de miosina. Tienen 1.5 micras de longitud y A de diámetro. Delgado: Están compuestos por 3 proteínas: actina fundamentalmente, tropomiosina y troponina, en relación 7:1:1.

38 Fisiología Muscular Dinámica de la contracción muscular:
El potencial de acción viaja por la fibra eferente motora hacia la juntura neuromuscular (centro de fibra muscular). Cada axón eferente, se divide en varios cientos de ramas que activaran cada una de las fibras musculares. Se produce la apertura de canales de Na+ (ingresa a la célula muscular). Vm >= -50mv → Pot. de Acción Muscular. Una serie de túbulos (llamados T), se encargan de difundir dicho potencial a toda la fibra muscular. Esto provoca apertura de canales de Ca++ que ingresa y baña a cada una de las miofibrillas. El ion Ca++ es clave en el acoplamiento que produce la contracción. Luego la bomba de Ca++ regresa dicho ion a sus valores normales para la distensión.

39 Fisiología Muscular Contracción:
Resulta del acortamiento del sarcómero, desplazamiento de miofilamentos delgados sobre gruesos. El Ca que llegó se une a la troponina generando un cambio en su posición, dejando al descubierto la zona de contacto de la actina con la miosina. Dado esto, las cabezas de miosina se unen con dichos puntos de contacto. Mediante hidrólisis de de ATP, la cabeza de miosina gira 45 grados produciéndose un desplazamiento del miofilamento delgado hacia el centro del sarcómero de unos 5nm. Luego la cabeza se desengancha y vuelve a quedar en posición vertical para volver a acoplarse y repetir el proceso como si fuera una especie de remo. La relajación muscular sucede cuando los iones de Ca vuelven a sus concentraciones de reposo.

40 Célula muscular cardíaca (miocito cardíaco)
En el miocito la activación eléctrica ocurre igual que en las neuronas: Ingreso de iones Na+ La amplitud del PA es de 100 mV (también similar) La duración es cerca de 100 veces mayor que en neuronas y miocitos esqueléticos (300 ms). La repolarización es consecuencia del egreso de iones K+ Una importante diferencia entre el miocito cardíaco y el miocito esquelético o liso, es que el cardíaco propaga el estímulo de una célula a la otra en cualquier dirección.

41 Conceptos Importantes
Estructura de la neurona, transmisión sináptica. Canales iónicos, equilibrio iónico (Ley de Nernst) y modelo Hodgkin-Huxley Potencial de acción: causas, flujo iónico y recuperación de concentraciones, forma de onda, valores y sus causas Diferencias entre potencial local y potencial de acción. Ley de “todo o nada”. Período refractario. Propagación del PA en el axón. Nodos de Ranvier.

42 Conceptos Importantes
Juntura neuromuscular: qué es, control consciente de la musculatura Tipos de tejido muscular Dinámica de la contracción muscular Miocito cardíaco: diferencia con miocito esquelético, características del PA, propagación a otras células

43 Referencias Simini, F - "Ingeniería Biomédica: perspectivas desde el Uruguay", Depto. Publicaciones UR, 2007 Webster, J - "Medical Instrumentation. Application and design", 3ra ed, JW&S, 1998 Malmivuo, J y Plonsey, R - "Bioelectromagnetism. Principles and applications of bioelectric and biomagnetic fields", Oxford University Press, 1995 (