Qualitative research interviews and selection

No todos los cambios que se dan en el potencial de reposo provocan la apertura de los canales de membrana regulados por voltaje. Las variaciones del potencial de

membrana que no provocan la apertura de este tipo de canales generan los denomi- nados potenciales locales. Estos poten- ciales constituyen respuestas de la membrana neuronal que se producen por una estimulación subumbral y que se propagan, de forma decreciente, gracias a las propiedades eléctricas pasivas de

Cuadro 7.2. El circuito eléctrico equivalente de la membrana neuronal

La membrana plasmática de una neurona puede representarse como un circuito eléctrico en el que existen una serie de resistencias, baterías y un condensador. Las resistencias representan los distin- tos canales iónicos que permiten el paso de una determinada corriente iónica, las baterías represen- tan los gradientes de concentración existentes para las especies iónicas de interés y el condensador está representado por la propia membrana, ya que al ser impermeable para los iones es capaz de acumular una determinada separación de cargas. Este modelo es denominado circuito eléctrico equivalente.

El hecho de que exista un número limitado de canales limitado hace que el paso de carga también sea limitado. En términos eléctricos la estructura que permite el paso de carga pero dificultándolo se denomina resistencia. Por este motivo en el circuito eléctrico equivalente los canales de Na+_{, K}+

y Cl-_{pueden representarse como un conductor o resistencia conectada en serie a una batería. La}

batería en cuestión tiene una determinada fuerza electromotora que está determinada por el poten- cial de Nernst. Para que el circuito equivalente de la neurona sea más preciso hay que añadir un generador de corriente que está representado por la ATPasaNa+_{- K}+_{. Esta bomba compensa de}

forma activa el flujo de iones que existe en la situación de reposo puesto que introduce iones K+_y

extrae iones Na+_{en contra de gradiente. Se puede decir pues, que la ATPasaNa}+_{- K}+_funciona

como un generador de corriente debido a que mantiene el gradiente de concentración. Por último, para completar el circuito equivalente hay que representar la membrana neuronal como un conden- sador. El condensador tiene como propiedad la capacidad de acumular y separar cargas cuando exis- te una diferencia de potencial entre las superficies del mismo (la diferencia de potencial es propor- cional a la carga almacenada). A esta capacidad para almacenar cargas se le denomina capacitancia y se mide en faradios (F).

Circuito eléctrico equivalente. C, capacitancia de membrana; E, potencial de equilibrio; g, conductancia iónica; I, intensidad de corriente.

FUNDAMENTOS DE NEUROCIENCIA. MANUAL DE LABORATORIO

membrana (también denominadas propie-

dades de cable o electrotónicas). Estas propiedades se pueden interpretar teniendo en cuenta que la membrana actúa como un circuito resistencia-condensador (Cuadro 7.2). Las propiedades eléctricas pasivas de la membrana son importantes porque definen la respuesta única y carac- terística de cada célula ante un determi- nado estímulo.

Propiedades eléctricas pasivas

Las neuronas tienen tres propiedades eléc- tricas pasivas que son fundamentales en la transmisión local de señales: la resis- tencia de la membrana en reposo, la capa- citancia de la membrana y la resistencia axial intracelular a lo largo de los axones y las dendritas. Estas propiedades deter- minan la amplitud y la duración del cambio en el potencial de membrana provocado por la estimulación y, además, influyen en la velocidad de conducción del impulso nervioso a través del axón.

Resistencia de la membrana

La resistencia de la membrana neuronal determina el grado de despolarización e hiperpolarización de la célula en respuesta a una entrada de corriente estable. Así, la inyección de cargas negativas en el soma de una neurona produce un aumento en la diferencia de voltaje a través de la membrana, haciendo más negativo el inte- rior celular (Fig. 7.6). Existe, por tanto, una relación lineal entre la cantidad de cargas introducidas y la hiperpolarización de la membrana. Esta relación entre la corriente inyectada y el voltaje define la resistencia de entrada en la neurona. Del mismo modo, existe una relación entre las cargas posi- tivas inyectadas y la despolarización de la membrana (Fig 7.6). Sin embargo, como veremos en el apartado siguiente, esta respuesta puramente resistiva a la entrada

de cargas positivas, se da en unos valores de voltaje determinados, ya que la inyec- ción de una corriente positiva de gran magnitud puede provocar una despolariza- ción que supere un determinado umbral y dispare un potencial de acción. El grado de despolarización o hiperpolarización provo- cado por la inyección de cargas viene determinado por la ley de Ohm:

ΔV=I·R_en

donde ΔV representa el incremento de

voltaje, I la intensidad de corriente y R_enla resistencia de entrada.

La resistencia de entrada a la corriente depende del número de canales pasivos por unidad de área de membrana y del tamaño de la célula. Por ello, las neuronas pueden presentar una resistencia de entrada diferente y responder diferencial- mente a un mismo estímulo. Para comparar las propiedades de la membrana de neuronas diferentes se utiliza la resistencia de una unidad de área de membrana o

resistencia específica de membrana (R_m).

La resistencia específica de membrana se mide en Ω.cm2_{y depende tanto del número}

de canales por centímetro cuadrado de membrana como de la conductancia de la misma.

Para conocer la resistencia total de entrada de corriente en la célula (R_en), la resis- tencia específica de membrana (R_m) debe ser dividida por el área de la membrana celular:

R_en=

Capacitancia de la membrana

La magnitud de los cambios de voltaje en respuesta a una corriente se ajustan al funcionamiento de una resistencia pero la duración de los cambios no. En este sentido, los cambios de voltaje de la célula ocurren de forma más lenta que el cambio 172

R_m 4πr2

gradual de corriente (Fig. 7.7). Esta propiedad eléctrica pasiva es una conse- cuencia de la capacitancia de la membrana. Es decir, el hecho de que la membrana neuronal sea capaz de separar una deter- minada cantidad de cargas y actúe como un condensador hace que el cambio de voltaje sea más lento que el cambio de corriente. El voltaje a través de un conden- sador es proporcional a la carga almace- nada, así pues:

V=

donde Q es la carga en culombios (C) y C la capacitancia en faradios (F). Para modi- ficar el voltaje que existe a través de un condensador hay que añadir o retirar carga:

ΔV=

Como el cambio de carga (ΔQ) es el resul-

tado del flujo de corriente a través del condensador (I_c) y teniendo en cuenta que la corriente es el flujo de carga por unidad de tiempo (Ic=ΔQ/Δt) se puede definir el cambio de voltaje a través del condensador como:

ΔV= I_c

Por tanto, se puede afirmar que el cambio de voltaje a través de la membrana depende de la duración de la corriente ya que es necesario un determinado periodo de tiempo para que la carga se deposite y elimine a ambos lados de la membrana. La capacitancia depende del área del condensador, del medio de aislamiento y de la distancia entre las placas del conden- sador. Dada las características similares de todas las membranas celulares, la capaci-

tancia de entrada específica para las

neuronas (C_m) tiene el mismo valor apro- ximado para todas las neuronas y es del orden de 1 μF/cm2_{de membrana. La capa-}

citancia de entrada total se calcula multi- plicando la capacitancia específica de entrada por el área total de la célula. Para una neurona esférica la capacitancia de

entrada total (C_en) se calcula según la

ecuación:

C_en= C_m(4πr2₎

Si se representan las propiedades eléc- tricas de la neurona en un circuito eléctrico equivalente, la resistencia (canales iónicos) y el condensador de la neurona (membrana celular) se encuentran en paralelo debido a que la corriente puede cruzar la membrana neuronal tanto por las resisten- Q C ΔQ C Δt C

Figura 7.6. Relación entre la amplitud de la corriente inyectada y los cam- bios producidos en el potencial de membrana. El aumento de la amplitud de los pulsos de corriente positivos y negativos provoca cambios proporcionales y simétricos en el potencial de membrana.

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cias como por el condensador (véase Cuadro 7.2). La corriente que cruza la membrana a través de las resistencias (canales iónicos) recibe el nombre de

corriente de membrana iónica (I_i). La

corriente transportada a través del conden- sador y que cambia la carga neta almace- nada en la membrana recibe el nombre de

corriente de membrana capacitativa (I_c). Se puede definir la corriente total (I_m) que cruza la membrana como la suma de la corriente iónica (I_i) y la corriente capacita- tiva de membrana (I_c):

I_m= I_i+I_c

Como la membrana tiene propiedades de resistencia y capacitancia, la representa- ción del cambio del potencial de membrana en el tiempo muestra una combinación de una respuesta que es puramente resistiva y una respuesta puramente capacitativa. El cambio del voltaje a través de membrana en el tiempo puede definirse con la

siguiente ecuación:

ΔV(t)= I_m·R_en (1-e-t/τ)

dondeτrepresenta la constante de tiempo

de la membrana y se define como el tiempo

necesario para modificar el potencial de membrana el 63% de su valor final (Fig. 7.7). La constante de tiempo se calcula mediante el producto de la resistencia a la entrada de corriente por la capacitancia de membrana:

τ= R_en·C_en

Resistencia axial de las dendritas y los axones

Hasta aquí sólo se han tenido en cuenta los efectos de las propiedades pasivas de membrana en el soma neuronal, sin embargo, también hay que considerar los efectos que tienen estas propiedades en la transmisión de señales a lo largo de las dendritas y axones. Cuando una estimula- ción subumbral provoca un potencial local en una dendrita o un axón, esta señal viaja de forma decreciente, es decir, la amplitud del potencial disminuye con la distancia recorrida y con el tiempo (Fig. 7.8). Este fenómeno se debe a que el citoplasma de las dendritas ofrece una resistencia al flujo longitudinal de corriente debido a su pequeña sección y a las colisiones que en su camino sufren los iones con otras molé- culas. Por tanto, cuanto mayor sea la distancia a recorrer mayor será la resis- tencia ya que los iones colisionarán con más moléculas. Por el contrario, cuanto mayor sea el diámetro del citoplasma de una prolongación neuronal (Fig 7.8), menor será la resistencia que encontrarán los iones, debido al aumento de transporta- dores de cargas (canales pasivos). La

resistencia axial (r_a) del citoplasma depen- derá por tanto, de la resistencia específica del citoplasma (ρ) medida en Ω·cm y de la sección transversal de la dendrita de radio r

.

r_a= 174

Figura 7.7. La capacitancia de la membrana determi- na un cambio en el potencial de membrana más lento que el cambio de corriente. La figura de arriba mues- tra los componentes iónico (Ii) y capacitativo (Ic) de la corriente total de membrana (Im). El gráfico infe- rior muestra el cambio del potencial de membrana en respuesta a un pulso de corriente. El tiempo transcu- rrido hasta alcanzarse el 63% del cambio total en el voltaje se conoce como constante de tiempo de la membrana (τ).

ρ πr2

En resumen, se puede afirmar que como consecuencia de la resistencia ofrecida por el citoplasma celular, el cambio de voltaje disminuye exponencialmente con la distancia. Esta reducción puede expresarse mediante la siguiente ecuación:

ΔV(x)=ΔV₀·e-x/λ

donde ΔV(x) es el cambio en el potencial de membrana producido por la corriente a través de la región de la membrana en la posición x, λ representa la constante de espacio de la membrana, x la distancia y ΔV₀el cambio del potencial de membrana producido por el flujo de corriente en el lugar de la inyección.

La constante de espacio (λ) se define como la distancia desde el lugar de entrada de la corriente hasta el lugar en el que el cambio de potencial ha disminuido hasta el 37% de su valor inicial. La constante de espacio se calcula a partir de la resistencia de membrana (r_m, en unidades de Ω.cm) y la resistencia axial por unidad de longitud de la dendrita (r_a, en unidades de Ω/cm).

λ=

Por tanto, cuanto mayor sea la resistencia

de la membrana de la prolongación (r_m) y cuanto mejor sean las propiedades conduc- toras del citoplasma (es decir, cuanto más baja sea r_a), mayor será la constante de longitud de la dendrita y por tanto, la corriente será capaz de propagarse a distancias más largas (Fig 7.8).