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) Internal Stimulus (e.g. change in blood pH or blood pressure) RECEPTION TRANSMISSION INTEGRATION Central Nervous System (brain and spinal cord) TRANSMISSION Action by effectors (muscles and glands) Detection by external sense organs Detection by internal sense organs Sensory (afferent) neurons transmit information Information interpreted and response initiated Motor (efferent) neurons transmit impulses e.g. animal runs away e.g. respiration rate increases; blood pressure rises “Neural signaling” La respuesta apropiada a un estímulo depende de la comunicación entre neuronas Las neuronas aferentes transmiten información a las interneuronas en en el SNC (CNS) las cuales integran la información que entra con la acción resultante El 99 % de las neuronas en el ser humano son interneuronas 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.

Neuronas Fig Nucleus (a) Axon Nodes of Ranvier Schwann cell Terminal branches Myelin sheath Nucleus Axon Cytoplasm of Schwann cell Synaptic terminals Collateral branch Cell body Dendrites covered with dendritic spines Células altamente especializadas para recibir estímulos y para transmitir impulsos nerviosos también conocidos como potenciales de acción Cell body integrates incoming signals 1 mm

Fig a Artery Vein Axon Myelin sheath Cell bodies Ganglion (cell bodies of neurons) Estructura de un nervio (fuera del CNS) Célula de Schwann

Fig. 40-3b, p µm (b)

Artery Vein Axon Myelin sheath Cell bodies Nucleus (cell bodies of neurons) Estructura de un “tract” o “pathway” (dentro del CNS) 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

Axon -70 mV Amplifier Electrode placed inside the cell Plasma membrane (a) Electrode placed outside the cell Extracellular fluid Diffusion out Diffusion in Cytoplasm (b) 2 K + Na/K pump Plasma membrane 3 Na + La concentración de iones de K+ es aproximadamente 10 veces mayor dentro que fuera de la célula La concentración de iones de Na+ es aproximadamente 10 veces mayor fuera que dentro de la célula Difusión de iones de acuerdo al gradiente de concentración La membrana es aproximadamente hasta 100 veces mas permeable a iones de K+ que de Na+

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

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 Los iones de K + bombeados hacia el interior de la célula pueden regresar muy facilmente al exterior de la célula Los iones de K + que se mueven al exterior de la célula causan que entren a la célula otros iones positivos FLUIDO EXTRACELULAR CITOPLASMA

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 concentraci ó n 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 La membrana se hace mas negativa (mas lejos del 0) que el potencial de descanso DEPOLARIZACIÓN HYPERPOLARIZACIÓN La neurona está mas cerca a la transmisión de un impulso EXCITACIÓN 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

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) Potencial de acción

Extracellular fluid -70mV-55mV Activation gate Cytoplasm Inactivation gate (a) Sodium channels(b) Potassium channels Canales iónicos activados por voltaje – poseen regiones cargadas electricamente que actúan como “portones”

Fig. 40-7b, p. 853 Axon Extracellular fluid Sodium channel Potassium channel Cytoplasm Resting state.Depolarization.Repolarization. Return to resting state (b) The action of the ion channels in the plasma membrane determines the state of the neuron.

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

(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. Voltage-activated Na + channels close; K + channels are open; K + moves out of cell, restoring negative charge to inside of cell. (e) Return to resting state. Voltage-activated Na + and K + channels close. Extracellular fluid Sodium channel Potassium channel Axon (a) Resting state Threshold level DepolarizationRepolarization Spike Time (milliseconds) Membrane potential (mV) Tarda un aprox. 1 ms, en este periodo de tiempo la membrana no puede transmitir otro potencial de acción = PERIODO REFRACTORIO ABSOLUTO CERRADOS

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

(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. Voltage-activated Na + channels close; K + channels are open; K + moves out of cell, restoring negative charge to inside of cell. (e) Return to resting state. Voltage-activated Na + and K + channels close. Extracellular fluid Sodium channel Potassium channel Axon (a) Resting state Threshold level DepolarizationRepolarization Spike Time (milliseconds) Membrane potential (mV) Canales de Na+ estan “reset” = Periodo refractorio relativo = dura unos ms mas = la axona puede transmitir un impulso pero el umbral es mas alto Cocaina, novocaina, xylocaina

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 Potassium channel Sodium channel Area of repolarizationArea of depolarization Action potential Onda de depolarización

Fig. 40-8b, p. 854 Area of repolarizationArea of depolarization Action potential (2) As action potential progresses along axon, repolarization occurs quickly behind it.

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 post- sinópticas están bien unidas y conectadas por uniones de hendidura

Sinapsis eléctrica

Synaptic vesicles Neurotransmitter molecules Receptor Plasma membrane of postsynaptic neuron Presynaptic terminal Synaptic cleft Na µm Ca 2+ transportados desde el fluido extracelular. Causan que las vesículas sinápticas se fundan con la membrana Sinapsis eléctrica

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 “ligand- gated 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

Fig Threshold levelEPSP Time (milliseconds) Membrane potential (mV) Threshold level IPSP Time (milliseconds) Membrane potential (mV) Plasma membrane of postsynaptic neuron NeurotransmitterNa + Synaptic cleft Neurotransmitter Postsynaptic neuron Ca 2+ Presynaptic neuron Action potential Neurotransmitter Postsynaptic neuron Ca 2+ Presynaptic neuron Action potential NeurotransmitterCl – (a) Excitatory input(b) Inhibitory input

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