10. Bases de la comunicación neuronal

El potencial eléctrico de las membranas

Las células del SN utilizan un código o lenguaje para comunicarse entre sí y con otras células del organismo que está basado en dos tipos de señales, eléctricas y químicas.

Algunas señales eléctricas se originan en las dendritas y en el soma que, en general, están especializados en la recepción de la información, mientras que otro tipo de señales se producen en el axón y son conducidas a lo largo del mismo hasta alcanzar los botones terminales, donde desencadenan la liberación de sustancias químicas que actúan como mediadoras en la transmisión de información a otras neuronas. Las señales eléctricas que se producen en las neuronas, al igual que en tras células del organismo, se deben a las propiedades eléctricas que presentan sus membranas celulares, aunque únicamente las neuronas son capaces de utilizar estas señales eléctricas para transmitir información.

La capacidad de la membrana celular para generar señales eléctricas se debe a la existencia de una diferencia de potencial o de carga eléctrica entre el interior y el exterior celular que, a su vez, es debida a la diferente distribución de moléculas con carga eléctrica (iones) presentes a ambos lados de la membrana. Esta diferencia de potencial eléctrico es el potencial de membrana o voltaje de membrana y puede adoptar diferentes valores según el estado en que se encuentre la neurona, siendo, por tanto, un valor relativo que indica cuál es la diferencia de cargas eléctricas entre el interior y el exterior celular en cada uno de esos estados. Estos diferentes valores se deben a los cambios en la distribución de las cargas eléctricas entre el interior y el exterior celular, producidos por el movimiento de los iones a través de la membrana y que, a su vez, depende de diversos factores: el gradiente electroquímico determinará la dirección del movimiento de los iones siempre que la membrana sea permeable a ellos (canales iónicos abiertos) y el transporte de estos iones contra el gradiente de concentración llevado a cabo por las bombas iónicas.

Entre los diferentes valores que puede adoptar el potencial de membrana se encuentra el potencial de reposo que es la diferencia de potencial entre el interior y exterior celular cuando la neurona se encuentra inactiva, es decir, en reposo, y el potencial de acción o impulso nervioso que es la señal básica que representa la transmisión de información en el SN.

El potencial de reposo

Las neuronas presentan en estado de reposo un potencial de membrana negativo de aproximadamente -70mV, lo que significa que en el interior celular hay un exceso de cargas negativas y en el exterior, un exceso de cargas positivas. Esta desigual distribución de las cargas eléctricas de debe a las diferencias en las concentraciones de diversos iones entre el interior y el exterior celular y a las diferencias en la permeabilidad que la membrana presenta a estos iones.

Los iones K+ se encuentran en mayor concentración en el interior celular que en el exterior, mientras que los iones Na+ y CI- están más concentrados en el exterior.

En estado de reposo, la membrana neuronal es permeable al K+ y al CI-, mientras que es poco permeable al Na+ e impermeable a los aniones orgánicos intracelulares (A-).

La principal corriente iónica que se produce en estado de reposo se debe a los iones K+, que son empujados hacia el exterior por la fuerza de difusión al estar más concentrados en el interior celular, mientras que la presión electrostática atrae nuevamente hacia dentro a los iones K+, hasta que se alcanza un estado de equilibrio en el que no hay un flujo neto de iones K+. A lo largo de este proceso se ha ido creando un desequilibrio en la distribución de cargas eléctricas a ambos lados de la membrana, acumulándose un exceso de cargas negativas en el interior celular. Esta diferencia de potencial es el potencial de reposo.

Aunque en estado de reposo, la membrana es prácticamente impermeable al Na+, se produce una pequeña entrada de Na+.

Con el tiempo la desigual distribución de estos iones tendería a desaparecer eliminándose la diferencia de potencial eléctrico y la capacidad de las neuronas para generar señales eléctricas y transmitir información a otras neuronas. Sin embargo, las bombas de sodio-potasio se encargan de mantener la desigual distribución de iones a uno y otro lado de la membrana. Estas bombas son proteínas transportadoras insertadas en la membrana celular que transportan de forma activa tres iones Na+ hacia el exterior y dos iones K+ hacia el interior contra el gradiente de concentración, con el consiguiente gasto de energía proporcionada por las moléculas de ATP. En este proceso generan una diferencia de potencial a través de la membrana, por lo que reciben el nombre de bombas electrogénicas.

El potencial de acción

La llegada de información procedente de otras neuronas puede producir diferentes cambios en el potencial de reposo. Si aumenta la diferencia de potencial entre el interior y exterior celular, es decir, el potencial de membrana se vuelve más negativo, se produce una hiperpolarización. Si por el contrario, se reduce la diferencia de potencial y el potencial de membrana se vuelve menos negativo, tiene lugar una despolarización. Para que se dispare un potencial de acción o rápida inversión del potencial de membrana de forma que éste adopta un valor positivo de unos +50mV, es necesario que se produzca una des polarización de una determinada magnitud, de forma que se alcance el umbral de excitación, si esto no ocurre, el potencial de acción no se produce. Por ello se dice que el potencial de acción sigue la ley del todo o nada.

El período en el que se produce la despolarización y rápida inversión del potencial de membrana es la fase ascendente del potencial de acción. Durante esta fase, se producen cambios en la permeabilidad de la membrana a los iones Na+ y K+, debido a la apertura de canales iónicos específicos para estos iones que son dependientes de voltaje. Tras la despolarización inicial se produce la apertura de canales de Na+ y con un cierto retraso temporal se abren también los canales de K. Cuando el potencial de membrana adopta un valor positivo de unos +50mV se inactivan los canales de Na+, mientras que los de K+ siguen abiertos. Durante el período en que los canales de Na están inactivados, la neurona no puede generar un nuevo potencial de acción en respuesta a una nueva información, por lo que se dice que está en período refractario absoluto.

En la fase descendente o de repolarización, los canales de Na+ pasan del estado de inactivación al estado de cerrados, mientras que los de K+ siguen abiertos. A medida que el potencial de membrana se hace negativo, los canales de K+ también se cierran. Al final de esta fase y durante un breve período, el potencial de membrana se encuentra hiperpolarizado adoptando un valor de unos -90mV. En este momento, la neurona puede responder con un nuevo potencial de acción aunque necesita una mayor magnitud de despolarización para que el potencial de membrana alcance el umbral de excitación. Es el periodo refractario relativo.

El término conductancia es similar al de permeabilidad pero no significan lo mismo. El primero hace referencia al flujo de corrientes iónicas que atraviesan la membrana, mientras que el segundo se refiere a la existencia de canales iónicos abiertos que permiten el paso de estas corrientes. Durante el disparo de un potencial de acción, ambos términos pueden usarse indistintamente. La conductancia para el Na+ es máxima en la fase ascendente, mientras que la conductancia para el K+ adquiere su máximo valor en la fase descendente.

La propagación del potencial de acción

Una vez generado el potencial de acción en el cono axónico, éste es conducido a lo largo del axón hasta los botones terminales, donde desencadena la liberación de sustancias químicas mediadoras en la transmisión de información a otras neuronas. Los iones Na+ que pasan al interior celular durante la fase ascendente del potencial de acción, fluyen dentro del axón hacia la región contigua de membrana, produciendo su despolarización y el disparo de un potencial de acción en esa región. De esta forma, se van generando sucesivos potenciales de acción en diferentes puntos de la membrana axonal hasta los botones terminales, manteniendo siempre el mismo valor. Por ello, se dice que el potencial de acción es una señal eléctrica regenerativa que se propaga de forma activa y que cumple con la ley del todo o nada. La propagación o conducción del potencial de acción a lo largo del axón se realiza siempre hacia delante, no volviéndose a producir an las zonas de membrana donde se acaba de generar, debido a que esas regiones permanecen en estado refractario.

Los fenómenos que explican la refractariedad de la membrana son dos:

  1. la inactivación de los canales de Na dependientes de voltaje (período refractario absoluto), y

  2. la hiperpolarización que presenta la membrana tras el disparo del potencial de acción (período refractario relativo).

La conducción del potencial de acción en axones mielínicos presenta importantes diferencias respecto a la conducción que tiene lugar en los axones amielínicos. En axones mielínicos, los potenciales de acción sólo se generan en los nódulos de Ranvier, debido a que los canales de Na+ dependientes de voltaje se encuentran concentrados en estas regiones, por lo que la conducción es este tipo de axones se denomina conducción saltatoria.

En los segmentos mielinizados tienen lugar otro tipo de señales eléctricas diferentes de los potenciales de acción que reciben el nombre de potenciales graduados, decrecientes y locales porque su magnitud varía y se circunscriben al lugar donde se producen, y se propagan de forma pasiva.

A pesar de que la magnitud de estos potenciales disminuye con la distancia, ésta es suficiente para que el potencial de membrana alcance el umbral de excitación en el siguiente nódulo de Ranvier y se pueda disparar un potencial de acción. La conducción saltatoria supone una mayor velocidad de conducción y, por tanto, una mayor rapidez de respuesta, y un importante ahorro de energía para las neuronas.

Comunicación entre neuronas: las sinapsis

Los contactos funcionales entre células nerviosas o entre neuronas y células efectoras se denominan sinapsis. Mediante ellas, las neuronas se comunican entre sí y con otras células no nerviosas para transmitir información.

La transmisión sináptica se realiza de dos formas, mediante transmisión eléctrica (sinapsis eléctricas) y mediante transmisión química (sinapsis químicas), que es la más habitual en el SN.

En las sinapsis eléctricas existe una continuidad entre las membranas celulares que establecen contacto funcional en unas zonas denominadas uniones hendidas, constituidas por canales iónicos unidos que permiten el paso de iones y pequeñas moléculas de una célula a otra. En la mayoría de sinapsis eléctricas, la información puede fluir desde la membrana presináptica a la membrana postsináptica y viceversa. La transmisión de información en las sinapsis químicas tiene lugar gracias a la liberación de neurotransmisores desde los terminales o botones presinápticos. Estas sustancias son sintetizadas en el soma o en los botones terminales y almacenadas en las vesículas sinápticas que se disponen muy agrupadas cerca de la membrana presináptica en las denominadas zonas activas. Cuando el potencial de acción alcanza los botones terminales se produce la despolarización de la membrana presináptica y la apertura de canales de Ca2+ dependientes de voltaje.

Los iones Ca2+ pasan al interior celular movilizando las vesículas sinápticas hacia la membrana presináptica con la que se fusionan, vertiendo su contenido a la hendidura sináptica. Una vez liberado el neurotransmisor, éste se une a unas proteínas especializadas de la membrana postsináptica denominadas receptores postsinápticos, produciendo su activación.

La activación de los receptores puede ejercer diversos efectos en la neurona postsináptica, como producir la apertura de canales iónicos, cambiando la permeabilidad de la membrana postsináptica a determinados iones.

Las sinapsis químicas pueden clasificarse de distintos modos atendiendo a criterios como la morfología de las vesículas sinápticas y el tipo de conexiones que se establecen entre las diversas zonas de las neuronas.

Un caso especial son las sinapsis axoaxónicas en las que se dan los fenómenos de inhibición y facilitación presináptica, que son dos importantes mecanismos que modulan la actividad neuronal.

Potenciales postsinápticos excitadores e inhibidores. La integración neural

La unión de los neurotransmisores a sus receptores puede producir diferentes efectos en la neurona postsináptica, entre ellos, la apertura de canales iónicos. Ello provoca cambios en el potencial de membrana y da lugar a la generación de potenciales postsinápticos. Estos potenciales postsinápticos pueden ser de dos tipos:

  1. potenciales excitadores postsinápticos (PEPs), si el potencial de membrana se hacemenos negativo (despolarización), y

  2. potenciales inhibidores postsinápticos (PIPs), si el potencial de membrana se hace más negativo (hiperpolarizaciones).

Los neurotransmisores que dan lugar a PEPs son excitadores y los que originan los PIPs son inhibidores.

La generación de los PEPs es consecuencia de la apertura de canales iónicos de Na+ o de Ca2+, mientras que la de los PIPs se debe a la apertura de canales de K+ o de Cl-.

Un mismo neurotransmisor puede producir PEPs o PIPs dependiendo de los canales iónicos que abra. Por otro lado, la apertura de los canales iónicos puede hacerse directamente, si el neurotransmisor se une a receptores con canales acoplados o, indirectamente, si el neurotransmisor se une a receptores asociados a proteínas G. Los primeros se llaman receptores ionotrópicos y los segundos metabotrópicos. Éstos últimos requieren la participación de moléculas mediadoras intracelulares llamadas segundos mensajeros.

El efecto de los potenciales postsinápticos sobre la actividad de la neurona es pequeño, si se consideran individualmente, de modo que no son capaces de generar un potencial de acción por sí solos, pues su magnitud disminuye gradualmente a medida que se alejan del punto donde se originan.

En el cono axónico la neurona hace una integración de todas las informaciones recibidas en un momento dado. Si el balance neto de todas las señales recibidas es una despolarización que alcanza el umbral de excitación, la neurona disparará un potencial de acción. Por el contrario, si el balance neto es una hiperpolarización o una despolarización subumbral, no se producirá el disparo neuronal.

La integración de la información recibida por la neurona se lleva a cabo solamente en el cono axónico con el fin de aumentar la eficacia de la transmisión de las señales nerviosas.

Neurotransmisores y neuromoduladores

Algunos neurotransmisores se unen a receptores ionotrópicos generando potenciales postsinápticos de forma directa, mientras que otros modulan la transmisión de información mediante su unión a receptores metabotrópicos, por lo que reciben el nombre de neuromoduladores.

En general, la transmisión rápida en el SN se lleva a cabo mediante neurotransmisores que abren canales iónicos directamente, mientras que la transmisión lenta se realiza a través de receptores asociados a proteínas G. Un mismo neurotransmisor puede actuar también como neuromodulador en otras sinapsis.

Los neurotransmisores se clasifican en diferentes grupos:

  • acetilcolina,

  • aminas biógenas,

  • aminoácidos transmisores, y

  • neuropéptidos.

La acetilcolina es un neurotransmisor del SNC y del SNP, que actúa a través de receptores nicotínicos (ionotrópicos) y muscarínicos (metabotrópicos). Se sintetiza fundamentalmente en núcleos septales y basales del encéfalo anterior.

Las aminas biógenas son la serotonina y las catecolaminas (dopamina, noradrenalina y adrenalina) y actúan principalmente mediante receptores metabotrópicos.

La serotonina se sintetiza fundamentalmente en los núcleos del rafe; la noradrenalina en el locus coeruleus y la dopamina en la sustancia negra y el área tegmental ventral, desde donde se envían proyecciones a diversas regiones del encéfalo anterior.

Las aminas biógenas desempeñan importantes funciones en la regulación de los estados afectivos y de la actividad mental.

Los aminoácidos transmisores excitadores más importantes son el glutamato y el aspartato, y los inhibidores son el GABA y la glicina. Estos neurotransmisores se distribuyen por todo el encéfalo y participan en la gran mayoría de las sinapsis del SNC, donde se unen fundamentalmente a receptores ionotrópicos. Los neuropéptidos están constituidos por aminoácidos y ejercen funciones muy variadas en los organismos, actuando principalmente como neuromoduladores en el SNC. Recientemente se han descubierto otros compuestos de diferente naturaleza (gases, lípidos, ...) que también ejercen funciones como neuromoduladores.

Los mecanismos de la transmisión sináptica química (síntesis y almacenamiento, liberación, activación de los receptores postsinápticos e inactivación de neurotransmisores) pueden ser afectados por diferentes sustancias psicoactivas que modifican la eficacia de la comunicación química nerviosa, razón por la que algunas de estas sustancias se emplean como agentes terapeúticos en el tratamiento de los trastornos psicopatológicos y las enfermedades neurodegenerativas.