Generalidades de la Neurofisiología Dra. Adriana Suárez Urhan MSc Profesora Asociada

Guía de estudio Repasar embriología y neuroanatomía Boron: Capítulo 10: Organization of the Nervous System Capítulo 11: The Neuronal Microenvironment Halassa MM, Haydon PG. Integrated Brain Circuits: Astrocitic networks modulate neuronal activity and behavior. Annu Rev Physiol. 2010: 72: 335-355.

“Toda conducta es el reflejo de una función del sistema nervioso” E. Kandel “El cerebro y la mente son eventos inseparables” Rodolfo Llirás

Sistema nervioso nos permite interactuar con el entorno: externo e interno Conducta Figure 8-1

Células del sistema nervioso Neuronas (10%): “doctrina de la neurona”, Células excitables y polarizadas. Glia (90%): Soporte estructural y metabólico para las neuronas. Son no excitables. SNC Macroglia (85-90%): Astrocitos: 80% Células ependimales: 5% Oligodendrocitos: 5% Microglia (10-15%) SNP Células Schwann

Transporte axonal Transporte axoplásmico Puede ser: Rápido Anterógrado (400mm/día): del soma a las terminaciones axónicas. Utiliza kinesina. Transporta: mitocondrias, vesículas sinápticas con NT peptídicos, algunas enzimas involucradas en síntesis y degradación de neurotransmisores sinápticos. Rápido Retrógrado (200 a 300 mm/día): de las terminaciones axónicas al soma. Utiliza dineina. Transporta: Membranas de vesículas para ser degradadas en lisosomas; virus; peroxidasa de rábano picante; factores de crecimiento (NGF).

Lento anterógrado (0.2 a 8mm/día) Utiliza cinesina como “motor”, Dineína? Transporta: proteínas del citoesqueleto (0.2-1mm/día): neurofilamentos, microtúbulos Proteínas como la tubulina, actina clatrina. Proteínas disuelta en el citoplasma: enzimas citosólicas (enzimas glucolíticas) (2 a 4 mm/día) Transporte axonal requiere de: ATP, Ca+2 Peroxidasa de rábano picante (PR)

Proteínas “motoras”: tienen actividad de ATPasa Familia de las kinesinas: 45 miembros en 14 subfamilias. Tienen de 1 a 4 cadenas pesadas: actividad de ATPasa y dominios de unión a microtúbulos en las cabezas. En la cola tienen dominios divergentes: subunidades reguladoras y accesorias (KLc). Familia de las dineinas: Sólo 2 miembros. Dos cadenas pesadas (Dhc) Cadenas intermedias, Cadenas livianas- intermedias Cadenas livianas (Dlc). Función depende del complejo dinactina que “ayuda” en unir carga a dineina y facilita interacciones entre dineina y microtúbulos.

Duncan JE, Goldstein LSB. 2006 Duncan JE, Goldstein LSB. 2006. The genetics of axonal transport and axonal transport disorders. PLoS genet. 2(9): e124.

Neuronas no se regeneran Mayor parte de neuronas se encuentran en el SN a los 4 meses de vida intrauterina. En el adulto,mayoría de las neuronas son postmitóticas. Neuronas que se pierden por lesiones o enfermedad es difícil que se sustituyan. Neuronas olfatorias mantienen capacidad de dividirse en el adulto!!!!!

Efectos de la denervación sobre la célula postsináptica Hipersensibilidad por denervación: aparición de receptores de Ach en todo el sarcolema. Receptores de tipo fetal. Fibrilaciones musculares: contracciones de fibras musculares individuales por cambios en el sarcolema. Son contracciones espontáneas, asincrónicas Atrofia muscular. John Nicholls: “From neuron to brain”

Lesión de un axón en el sistema nervioso periférico Las células de Schwann guían el crecimiento del axón. Regeneración se da a un mm/día. Hay factores de crecimiento que favorecen la regeneración axonal. Órgano blanco produce factores de crecimiento axonal. La laminina (proteína de la matriz extracelular) y NGF son producidos por las células de Schwann.

Los axones el el SNC no se regeneran en forma efectiva No hay una guía adecuada para el crecimiento axónico. Los astrocitos forman cicatrices que impiden la regeneración axonal. Microglia llega al sitio de lesión. Probablemente se secretan sustancias inhibidoras del crecimiento.

El Cerebro es física y metabólicamente “frágil” Depende de fuentes oxidativas para su energía. Diariamente oxida 100 g de glucosa. Elevado consumo de energía: mantener gradientes iónicos (excitabilidad). Bomba Na+-K+. Pocas reservas energéticas: 5% del glucógeno hepático. Poco tolerante a la isquemia. Masa: 2% del peso corporal (1400 g). Flujo sang. es el 15% del GC (750 ml/min). Consume el 20% del O2 ( 46-50 ml/min) y el 50% de la glucosa en reposo. Si flujo sanguíneo se interrumpe, se produce inconciencia en tan sólo 10 s. En 5 min. se ve lesión celular.

Regulación del micro ambiente de la neurona (LEC) Regulación del flujo sanguíneo cerebral El LCR influye sobre la composición del LEC cerebral: barrera sangre-LCR (hematocefalorraquídea), flujo del LCR. Barrera hematoencefálica: protege al cerebro de fluctuaciones en la composición de la sangre Funciones amortiguadoras de la neuroglía.

Importancia del Líquido cefalorraquídeo Soporte mecánico para el cerebro: flota en LCR (peso se reduce a 50g). Sistema de “drenaje” del cerebro: se remueven productos del metabolismo y de la actividad sináptica. Vía por medio de la cual algunos nutrientes llegan al SNC. Vía de comunicación dentro del SNC: transporta mensajeros químicos entre diferentes zonas del SNC.

Composición del LCR: incoloro, inoloro mM El LCR no es un simple ultrafiltrado del plasma. Es secretado en forma activa por los plexos coroideos. El LCR es más ácido que el plasma, tiene menos proteínas, glucosa y potasio que el plasma. Tiene más cloruro, magnesio que el plasma. No contiene células sanguíneas. Es isotónico respecto a la sangre. Volumen total de LCR: 135- 150 ml. 30 mL en ventrículos y 125 mL en espacio subaracnoideo. Se producen 0.35 ml/min (500-550 mL/día). Se recambia 3.7-4 veces por día.

LCR y LEC cerebral se encuentran en equilibrio difusional LCR y tejido cerebral se ponen en contacto en dos sitios: Membrana pial glial que recubre superficie externa del cerebro. Hay resquicios entre células. Glia limitans-membrana basal Las células ependimarias que recubren ventrículos. Tienen gap junctions entre ellas y no tienen uniones estrechas (excepto en eminencia media y área postrema) LCR y LEC tienen una composición química similar. El LCR es un mecanismo eficiente para remover sustancias del SNC. Fluye y se recambia y las sustancias entran así a la sangre venosa o por los plexos coroideos a los capilares coroideos (absorción). Su composición puede influir la actividad neuronal: ej.: quimiorreceptores centrales y pH del LCR.

Plexos coroideos Formados por vellosidades que se proyectan hacia los ventrículos, cubiertas por una capa de células epiteliales coroideas unidas por uniones estrechas (barrera sangre-LCR). Producen el 50 a 70 % del LCR. Aquí se produce el LCR: 500-550 ml/día (se recambia 3.7-4 veces en un día). Se encuentran en los ventrículos. Pesan en total aprox. 2 g. Tejido con muy buena irrigación (capilares fenestrados fuera de la BHE) La secreción del LCR en los plexos crea un gradiente de presión que hace que el LCR fluya.

LCR se reabsorbe en las granulaciones o vellosidades aracnoideas o de Pachioni a las venas (500 mL/día). LCR pasa hacia la sangre venosa pero no puede pasar sangre venosa al LCR. Células de la aracnoides están unidas por uniones estrechas que aislan el LCR de la sangre de los vasos de la duramadre

Transcitosis: se forman vacuolas gigantes llenas de LCR que cruzan las células aracnoideas y liberan el LCR en la sangre venosa. El gradiente de presión favorece la reabsorción del LCR. La absorción aumenta al aumentar la presión intracranial o presión del LCR. Por debajo de 70 mm de H2O se detiene su reabsorción. Producción de LCR NO depende de la presión intracraneal.

Formación del LCR El LCR se forma en dos pasos secuenciales: Ultrafiltrado del plasma: el plasma sale de los capilares coroideos al intersticio por debajo de la membrana basal del epitelio coroideo. Las células epiteliales coroideas secretan el líquido a los ventrículos isoosmóticamente. El LCR se produce por transferencia de NaCl y NaHCO3 , se crea un gradiente osmótico que atrae al agua. El plexo coroideo secreta un líquido isoosmótico con el plasma.

Capilares coroideos: fuera de BHE. Capilares fenestrados. Procesos transcelulares: Secreción: Na+, Cl-, HCO3, agua. Absorción: K+, ácidos orgánicos, aminoácidos, metabolitos de NT (serotonina: ácido 5 hidroxi-indolacético; dopamina: ácido homovanilico).

Principales flujos iónicos a través de las células epiteliales de los plexos coroideos. El potasio se reabsorbe hacia la sangre. La Na+-K+ ATPasa es el principal mecanimso involucrado en la secreción de sodio y en la absorción de potasio.

Entra Cl- a célula por medio del Cl--HCO3- Secreción neta de Na+: Bomba Na+-K+ en borde apical Entra Na+a célula: Na+-H+, Na+-HCO3- AC genera los H+ Secreción neta de Cl-: Entra Cl- a célula por medio del Cl--HCO3- Sale Cl- al LCR por medio de canales o por el cotransportador Cl-/K+ Secreción neta de HCO3- : Entra HCO3- a la célula por medio del cotransportador Na+/HCO3- y el intercambiador Na+/Cl-/HCO3- Sale al LCR por el cotransportador Na+/HCO3- y canales de Cl-

Absorción de K+: En el borde apical el K+ entra por medio de la bomba Na+-K+ y el NKCC Sale al intersticio por el cotransportador Cl-/K+ Hay reciclado del K+ en membrana apical AQP1: en membrana apical y basolateral

El LEC cerebral 15-20% del volumen cerebral Espacios de 20nm entre células Espacio muy “tortuoso”: disminuye tasa difusión. Cuando las células se “hinchan” el LEC disminuye hasta llegar a ser el 5 % del volumen cerebral. Los flujos iónicos que acompañan a la actividad neuronal causan cambios de concentración en el LEC. Ej.: Na, K+ Actividad neuronal aumenta la concentración de NT en el LEC: glutamato, glicina. Permite la comunicación entre neuronas y células gliales

Edema cerebral: aumenta el contenido neto de agua en el cerebro Edema cerebral: aumenta el contenido neto de agua en el cerebro. El exceso de agua proviene de la circulación. Al aumentar el volumen cerebral aumenta la presión intracraneal. Síntomas: cefalea, vómitos, conciencia alterada. Tx: hiperventilar, manitol.

Células gliales 1858 Rudolph Virchow (patólogo alemán) Primero en describir a las células gliales Acuña término: neuroglía Griego “glia”: masilla, cemento, goma (nervenkitt) Glia como tejido conectivo sin elementos celulares Hay 10x más glia que neuronas. Mitad del volumen cerebral es glia. Llenan espacio entre neuronas dejando un LEC pequeño Se pueden reponer si se lesionan en el adulto Santiago Ramón y Cajal fue el primero que estudió a los astrocitos (1895)

Los astrocitos son muy diversos. Proteína acídica fibrilar: son filamentos intermedios. Su presencia se utiliza para identificar astrocitos. Las células madre neurales tienen muchas propiedades de la astroglia. Neurogénesis podría estarse dando durante toda la vida.

Macroglia: astrocitos, oligodendrocitos, células ependimarias, células de Schwann Microglia: fagocitos.

Microglia: 10-15% de la glia (derivada del mesodermo) : al activarse prolifera y tiene actividad fagocítica. Actúan como células presentadoras de antígenos para los linfocitos T. Parte del sistema inmunológico del SNC.

Funciones de astroglia Desarrollo: regulación de la glio y de la neurogénesis; neuronal pathfinding; regulación sinaptogénesis. Estructurales: son los “andamios” del sistema nervioso. Sus territorios no se sobreponen. Vasculares: formación de la BHE; interfase glial-vascular; regulación de la microcirculación cerebral; acople neurovascular. Metabólicas: almacenan sustratos energéticos para las neuronas; colectan “desechos” neurales Control del microambiente neuronal: regula concentración de iones en LEC; regulación del pH del LEC; remoción de NT del LEC; homeostasis del agua Señalización: modula transmisión sináptica; liberan NT; integración de redes neuro gliales.

Otras funciones gliales Homeostasis energética del cerebro: entrada de glucosa a los astrocitos. Gap junctions (conexinas 43 y 30) permiten difusión de glucosa entre astrocitos. Difusión regulada. Los NT sinápticos al interactuar con receptores metabotrópicos (Gq) elevan [Ca+2]i. Se ha observado en las columnas corticales de corteza somatosensorial de ratones con el estímulo sensorial. Metaplasticidad neuronal: procesos de los astrocitos son muy dinámicos.

El shuttle de lactato Fuentes de energía de las neuronas: Glucosa de la sangre Lactato de la glia proveniente del glucógeno almacenado. Si la [K+] del LEC cambia (actividad neuronal), la glia lo detecta. Aumenta el metabolismo de la glucosa en la glia y se produce más lactato que llega luego a las neuronas. El glucógeno se degrada.

Propiedades de las membranas de los astrocitos Expresan canales Kir: permiten mantener su Em cercano al EK+ del K+ (Kir4.1). Tienen canales BK: canales de K+ activados por Ca+2: ante una señal de calcio se libera K en cercanía de vaso sanguíneo. Tienen transportadores electrogénicos para glutamato, GABA y glicina. Permiten control del ambiente neuronal y también permiten que neuronas presinápticas contengan NT. Tienen TRP. Ca+2 podría entrar al astrocito y desencadenar la gliotransmisión.

Los astrocitos regulan la [K+] del LEC El Vm de los astrocitos se encuentra entre–80 mv a -90mv El Vm de las neuronas es de –65 mv El EK+ es de –90 mv Alta conductancia en reposo al K+. Relación canales Na+/ canales K+ es baja. En la glia no se ven potenciales de acción. La glia es más sensible a cambios en [K+]o que las neuronas. Se despolarizan más. Los astrocitos responden a cambios en [K+] del LEC y también la regulan.

Es importante regular la [K+] del LEC ya que afecta: excitabilidad neuronal, volumen celular, actividad neuronal, metabolismo de la glucosa, flujo sanguíneo cerebral. Bear MF, Connors BW, Paradiso MA. Neuroscience: exploring the brain. Baltimore: Williams and Wilkins, 1996.

Los astrocitos capturan potasio por tres mecanismos: 1.Bomba Na+-K+ 2. Cotransportador Na+/K+/2 CL- 3. Captura de K+y CL- por canales iónicos.

La amortiguación espacial de K+ remueve el K+ de un sitio de alta concentración y lo traslada a sitios de menor concentración.

El sincitio panglial Astrocitos forman “gap junctions” con: Otros astrocitos Neuronas Oligodendrocitos Células ependimarias Por conexones pasan moléculas de hasta 1 KDa. Pueden pasar: nucleótidos, azúcares, aa, péptidos pequeños, AMPc, Ca+2, IP3. Las uniones en hendidura regulan su estado: abierto ó cerrado

Acople neurovascular (control de circulación cerebral): El astrocito acopla la actividad neuronal con el Q (flujo sanguíneo). Donde hay mayor actividad neuronal aumenta el Q: hiperemia funcional. Astrocito produce sustancias vasoactivas: NO, EET (dil), 20 HETE (const.), endotelina (const.) Haydon PG, Carmignoto G. Astrocyte control of synaptic transmission and neurovascular coupling. 2006. Physiol. Rev. 86: 1009-1031.

Sinapsis tripartitas: 1. Neurona presináptica Neurona postsináptica Glía perisináptica: Captura NT, modula la actividad sináptica: facilitación ó inhibición sináptica y heterosináptica. Scientific American, abril 2004

Los astrocitos sintetizan al menos 20 sustancias neuroactivas Los astrocitos sintetizan al menos 20 sustancias neuroactivas. Tienen receptores ionotrópicos y metabotrópicos para NT (prácticamente para todo tipo de NT) SLC 38 (6) Ciclo glutamato-glutamina SLC1(7) Glutamina entra a neuronas excitatorias e inhibitorias. Astrocitos son los proveedores de glutamina a las neuronas.

La Gliotransmisión (glia-neurona) Slow inward current Receptores extrasinápticos Haydon PG, Carmignoto G. Astrocyte control of synaptic transmission and neurovascular coupling. 2006. Physiol. Rev. 86: 1009-1031. Astrocitos presentan liberación regulada de glutamato. Glutamato se libera por: exocitosis (ves.grandes), salida por receptores P2X, salida por anion exch., canales de Cl-, transp de glutamato., hemicanales (conexinas). Glutamato de astrocitos activa receptores NMDA extrasinápticos (tipo de receptores de NMDA con subunidades NR2B) y provoca respuestas diferentes al glutamato de las neuronas (modula excitabilidad neuronal). Puede producir sincronización neuronal.

Señales de los astrocitos actúan tanto pre como postsinápticamente y heterosinápticamente regulando la transmisión sináptica. Las señales provenientes de los astrocitos actúan a nivel presináptico y postsináptico regulando la transmisión sináptica. La liberación de glutamato, D-serina y ATP por los astrocitos tiene una diversidad de efectos sinápticos. Presinápticamente el glutamato interactúa con receptores metabotrópicos para glutamato y receptores ionotrópicos de kainato y mejorar la transmisión sináptica. POSTSINAPTICAMENTE: glutamato actúa sobre receptores de NMDA extrasinápticos promoviendo la sincronía neuronal. La D serina actúa sobre receptores de NMDA en el sitio de unión de la glicina regulando la plasticidad neuronal. El ATP puede actuar en forma postsináptica por medio de receptores P2X y la adenosina puede actuar sobre receptores A1R y causar depresión heterosináptica de sinapsis excitatorias. Haydon PG, Carmignoto G. Astrocyte control of synaptic transmission and neurovascular coupling. 2006. Physiol. Rev. 86: 1009-1031.

Astrocitos secretan factores tróficos y tienen receptores para ellos Citocinas Neurotrofinas 3 y 4 Factor neurotrófico cerebral (BDNF) Factor neurotrófico glial Factor de crecimiento de los fibroblastos Factor neurotrófico ciliar

Astrocitos producen y liberan neuropéptidos NPY: guiar a los axones a su destino péptidos opiodes: regular diferenciación celular Angiotensinógeno PAN VIP Sustancia P

Principales NT liberados por astrocitos Glutamato ATP, adenosina D-serina: se une al sitio de unión para glicina de los receptores para NMDA (coagonista). Tienen toda la maquinaria para la exocitosis. Se han visto vesículas con éstos NT. Se exocitan en una forma Ca+2 dependiente.

ATP Regula las “olas de calcio” entre astrocitos Liberado por vesículas. Tiene acciones directas e indirectas por medio de adenosina. Por medio de receptores P2X se observa aumento en expresión de receptores AMPA.

Dudas????? Existe suficiente glutamato en el astrocito para la gliotransmisión ya que la enzima glutamina sintetasa lo convierte en glutamina? Estudios han sido realizados en tajadas de cerebros y cultivos celulares. Cómo es esto fisiológicamente? Los astrocitos regulan mediante señales de calcio la gliotransmisión y la microvasculatura. Se dan éstos procesos siempre juntos? Hay diferentes tipos de señales de Ca+2?

Los oligodendrocitos y las células de Schwann forman las vainas de mielina de los axones. La membrana celular se enrolla alrededor del axón y luego se compacta. Astrocitos estimulan al oligodendrocito a producir mielina. La mielina está formada, principalmente, por fosfolípidos y algunas proteínas. Proteínas de la mielina son diferentes en el SNC y SNP (Po principal proteína de mielina madura en SNP; PLP: principal proteína en SNC).

Oligodendrocitos Ricos en anhidrasa carbónica. Tienen receptores para NT (glutamato y GABA) Contienen ferritina y transferrina Muy sensibles a la isquemia (excitotoxicidad) Hay 4 tipos diferentes: I, II, III y IV Acoplados eléctricamente entre ellos

Célula de Schwann rodeando un axón mielinizado y a un axón sin mielina. Hay 4 tipos de células de Scwann: Mielinizadoras: rodean axones gruesos. Una célula rodea sólo a un axón. No mielinizadoras: rodean axones delgados. Una célula rodea a varios axones. Perisinápticas (unión neuromuscular) Terminales: cercanas a terminaciones sensoriales.

Subdivisiones del sistema nervioso Componentes Caracteristicas especiales Central Cerebro (incluye II par y retina) y medula espinal Oligodendrocitos forman mielina Axones no se regeneran Periférico: por fuera de la dura madre. Ganglios perifericos Receptores sensoriales Nervios espinales y craneales (excepto II par) aferentes y eferentes C. Schwann forman mielina Axones se pueden regenerar Autónomo Porciones selectas tanto del SNC como del SNP Sistema funcionalmente diferenciado

Cierre del tubo neural se da tempranamente: 26-28 días

Barrera hematocefalorraquídea Barrera hematoencefálica 59

Comparación de proteinas en el plasma y en el LCR Masa molecular (kDa) Radio hidrodinámico (nM) Relación P/LCR Prealbúmina 61 3,3 14 albúmina 69 3,6 240 transferrina 81 3,7 140 ceruloplasmina 152 4,7 370 IgG 150 5,3 800 IgA 5,7 1350 Alfa2 macroglobulina 798 9,4 1100 Fibrinógeno 340 11,0 4940 IgM 12,1 1170 Beta lipo proteina 2240 12,4 6210

Punción lumbar Se introdujo en 1891 por neurólogo Heinrich Quincke Se extrae LCR de la cisterna lumbar. Entre L3 y L4. Presión del LCR en persona acostada: 10.0 a 18.0 cm H2O (7 a 13 mmHg).

Scientific American, abril 2004 Sistema nervioso tiene más glia que neuronas: 90% de las células del cerebro son glia. Scientific American, abril 2004 62

1966: se describe el acople eléctrico entre astrocitos. Scientific American, abril 2004 Glia no conduce potenciales de acción y no presenta potenciales sinápticos. 1966: se describe el acople eléctrico entre astrocitos. 63

Barrera Hematoencefálica (BHE) Separa el cerebro de la sangre evitando cambios bruscos en concentración de sustancias: K+, H+, aminoácidos, hormonas. Se encuentra ausente en plexos coroideos y órganos circunventriculares. En eminencia media del hipotálamo hay tanicitos (células ependimarias especializadas)

Tanicitos: células ependimarias especializadas bipolares con procesos que penetran en la masa encefálica y hacen contacto con los capilares portales. Tienen receptores a factores de crecimiento y sus prolongaciones crecen y se retraen según la situación fisiológica. Se relacionan con el control de la secreción de GnRH y TRH

Endotelio: Uniones estrechas Sin fenestraciones No se ve transcitosis Con mucha mitocondria Membrana basal gruesa Con enzimas: peptidasas, MAO Transportadores: Familia SLC y ABC