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4.3: Cómo se comunican las neuronas: biología

4.3: Cómo se comunican las neuronas: biología



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Habilidades para desarrollar

  • Describir la base del potencial de membrana en reposo.
  • Explicar las etapas de un potencial de acción y cómo se propagan los potenciales de acción.
  • Explicar las similitudes y diferencias entre las sinapsis químicas y eléctricas.
  • Describir la potenciación a largo plazo y la depresión a largo plazo.

Todas las funciones realizadas por el sistema nervioso, desde un simple reflejo motor hasta funciones más avanzadas como tomar una memoria o tomar una decisión, requieren neuronas para comunicarse entre sí. Mientras que los humanos usan palabras y lenguaje corporal para comunicarse, las neuronas usan señales eléctricas y químicas. Al igual que una persona en un comité, una neurona generalmente recibe y sintetiza mensajes de muchas otras neuronas antes de "tomar la decisión" de enviar el mensaje a otras neuronas.

Transmisión de impulsos nerviosos dentro de una neurona

Para que el sistema nervioso funcione, las neuronas deben poder enviar y recibir señales. Estas señales son posibles porque cada neurona tiene una membrana celular cargada (una diferencia de voltaje entre el interior y el exterior), y la carga de esta membrana puede cambiar en respuesta a las moléculas de neurotransmisores liberadas por otras neuronas y estímulos ambientales. Para comprender cómo se comunican las neuronas, primero se debe comprender la base de la línea de base o carga de la membrana "en reposo".

Membranas cargadas neuronales

La membrana de la bicapa lipídica que rodea a una neurona es impermeable a las moléculas o iones cargados. Para entrar o salir de la neurona, los iones deben pasar a través de proteínas especiales llamadas canales iónicos que atraviesan la membrana. Los canales de iones tienen diferentes configuraciones: abiertos, cerrados e inactivos, como se ilustra en la Figura ( PageIndex {1} ). Algunos canales de iones deben activarse para abrirse y permitir que los iones entren o salgan de la celda. Estos canales iónicos son sensibles al medio ambiente y pueden cambiar su forma en consecuencia. Los canales de iones que cambian su estructura en respuesta a los cambios de voltaje se denominan canales de iones activados por voltaje. Los canales iónicos activados por voltaje regulan las concentraciones relativas de diferentes iones dentro y fuera de la celda. La diferencia en la carga total entre el interior y el exterior de la célula se denomina potencial de membrana.

Enlace al aprendizaje

Este video analiza la base del potencial de membrana en reposo.

Potencial de membrana en reposo

Una neurona en reposo está cargada negativamente: el interior de una célula es aproximadamente 70 milivoltios más negativo que el exterior (-70 mV, tenga en cuenta que este número varía según el tipo de neurona y la especie). Este voltaje se denomina potencial de membrana en reposo; es causado por diferencias en las concentraciones de iones dentro y fuera de la célula. Si la membrana fuera igualmente permeable a todos los iones, cada tipo de ión fluiría a través de la membrana y el sistema alcanzaría el equilibrio. Debido a que los iones no pueden simplemente cruzar la membrana a voluntad, existen diferentes concentraciones de varios iones dentro y fuera de la célula, como se muestra en la siguiente tabla. La diferencia en el número de iones de potasio cargados positivamente (K+) dentro y fuera de la célula domina el potencial de membrana en reposo (Figura ( PageIndex {2} )). Cuando la membrana está en reposo, K+ Los iones se acumulan dentro de la célula debido a un movimiento neto con el gradiente de concentración. El potencial de membrana en reposo negativo se crea y se mantiene aumentando la concentración de cationes fuera de la célula (en el líquido extracelular) en relación con el interior de la célula (en el citoplasma). La carga negativa dentro de la célula se crea porque la membrana celular es más permeable al movimiento del ión potasio que al movimiento del ión sodio. En las neuronas, los iones de potasio se mantienen en altas concentraciones dentro de la célula, mientras que los iones de sodio se mantienen en altas concentraciones fuera de la célula. La célula posee canales de fuga de potasio y sodio que permiten que los dos cationes se difundan en su gradiente de concentración. Sin embargo, las neuronas tienen muchos más canales de fuga de potasio que de sodio. Por lo tanto, el potasio se difunde fuera de la célula a un ritmo mucho más rápido que el sodio. Debido a que salen más cationes de la célula de los que entran, esto hace que el interior de la célula se cargue negativamente en relación con el exterior de la célula. Las acciones de la bomba de sodio y potasio ayudan a mantener el potencial de reposo, una vez establecido. Recuerde que las bombas de sodio y potasio aportan dos K+ iones en la celda mientras se eliminan tres Na+ iones por ATP consumido. Como se expulsan más cationes de la célula de los que se ingieren, el interior de la célula permanece cargado negativamente en relación con el líquido extracelular. Cabe señalar que los iones de calcio (Cl) tienden a acumularse fuera de la célula porque son repelidas por proteínas cargadas negativamente dentro del citoplasma.

Tabla ( PageIndex {1} ): Concentración de iones dentro y fuera de las neuronas. El potencial de membrana en reposo es el resultado de diferentes concentraciones dentro y fuera de la célula.

IonConcentración extracelular (mM)Concentración intracelular (mM)Relación exterior / interior
Na +1451212
K +41550.026
Cl−120430
Aniones orgánicos (A−)100

Potencial de acción

Una neurona puede recibir información de otras neuronas y, si esta entrada es lo suficientemente fuerte, enviar la señal a las neuronas posteriores. La transmisión de una señal entre neuronas generalmente se realiza mediante una sustancia química llamada neurotransmisor. La transmisión de una señal dentro de una neurona (desde la dendrita al axón terminal) se realiza mediante una breve inversión del potencial de membrana en reposo llamado potencial de acción. Cuando las moléculas de neurotransmisores se unen a los receptores ubicados en las dendritas de una neurona, los canales iónicos se abren. En las sinapsis excitadoras, esta apertura permite que los iones positivos entren en la neurona y da como resultado la despolarización de la membrana, una disminución en la diferencia de voltaje entre el interior y el exterior de la neurona. Un estímulo de una célula sensorial u otra neurona despolariza la neurona objetivo a su potencial umbral (-55 mV). N / A+ los canales en el montículo del axón se abren, permitiendo que los iones positivos entren en la celda (Figura ( PageIndex {3} ) y Figura ( PageIndex {4} )). Una vez que se abren los canales de sodio, la neurona se despolariza completamente a un potencial de membrana de aproximadamente +40 mV. Los potenciales de acción se consideran un evento de "todo o nada", en el sentido de que, una vez que se alcanza el potencial umbral, la neurona siempre se despolariza por completo. Una vez que se completa la despolarización, la célula debe ahora "restablecer" su voltaje de membrana al potencial de reposo. Para lograr esto, el Na+ los canales se cierran y no se pueden abrir. Esto inicia el período refractario de la neurona, en el que no puede producir otro potencial de acción porque sus canales de sodio no se abren. Al mismo tiempo, K dependiente de voltaje+ canales abiertos, permitiendo K+ salir de la celda. Pedir+ Los iones abandonan la célula, el potencial de membrana vuelve a ser negativo. La difusión de K+ fuera de la célula en realidad hiperpolariza la célula, en el sentido de que el potencial de membrana se vuelve más negativo que el potencial de reposo normal de la célula. En este punto, los canales de sodio volverán a su estado de reposo, lo que significa que están listos para abrirse nuevamente si el potencial de membrana excede nuevamente el potencial umbral. Eventualmente el extra K+ Los iones se difunden fuera de la célula a través de los canales de fuga de potasio, llevando a la célula de su estado hiperpolarizado a su potencial de membrana en reposo.

Conexión de arte

Los bloqueadores de los canales de potasio, como la amiodarona y la procainamida, que se utilizan para tratar la actividad eléctrica anormal en el corazón, denominada arritmia cardíaca, impiden el movimiento de K + a través de los canales de K + activados por voltaje. ¿Qué parte del potencial de acción esperaría que afectaran los canales de potasio?

Enlace al aprendizaje

Este video presenta una descripción general del potencial de acción.

Mielina y la propagación del potencial de acción

Para que un potencial de acción comunique información a otra neurona, debe viajar a lo largo del axón y llegar a las terminales del axón, donde puede iniciar la liberación de neurotransmisores. La velocidad de conducción de un potencial de acción a lo largo de un axón está influenciada tanto por el diámetro del axón como por la resistencia del axón a la fuga de corriente. La mielina actúa como un aislante que evita que la corriente salga del axón; esto aumenta la velocidad de conducción del potencial de acción. En enfermedades desmielinizantes como la esclerosis múltiple, la conducción del potencial de acción se ralentiza porque la corriente se escapa de áreas de axones previamente aisladas. Los nodos de Ranvier, ilustrados en la Figura ( PageIndex {5} ) son espacios en la vaina de mielina a lo largo del axón. Estos espacios amielínicos tienen aproximadamente un micrómetro de largo y contienen Na regulado por voltaje.+ y K+ canales. Flujo de iones a través de estos canales, particularmente el Na+ canales, regenera el potencial de acción una y otra vez a lo largo del axón. Este "salto" del potencial de acción de un nodo al siguiente se denomina conducción saltatoria. Si los nodos de Ranvier no estuvieran presentes a lo largo de un axón, el potencial de acción se propagaría muy lentamente ya que Na+ y K+ los canales tendrían que regenerar continuamente potenciales de acción en cada punto a lo largo del axón en lugar de en puntos específicos. Los nodos de Ranvier también ahorran energía para la neurona, ya que los canales solo necesitan estar presentes en los nodos y no a lo largo de todo el axón.

Transmisión sinaptica

La sinapsis o "brecha" es el lugar donde se transmite la información de una neurona a otra. Las sinapsis generalmente se forman entre los terminales de los axones y las espinas dendríticas, pero esto no es universalmente cierto. También hay sinapsis de axón a axón, dendrita a dendrita y axón a cuerpo celular. La neurona que transmite la señal se llama neurona presináptica y la neurona que recibe la señal se llama neurona postsináptica. Tenga en cuenta que estas designaciones son relativas a una sinapsis en particular; la mayoría de las neuronas son presinápticas y postsinápticas. Hay dos tipos de sinapsis: química y eléctrica.

Sinapsis química

Cuando un potencial de acción alcanza el terminal del axón, despolariza la membrana y abre Na dependiente de voltaje.+ canales. N / A+ Los iones entran en la célula, despolarizando aún más la membrana presináptica. Esta despolarización causa Ca dependiente de voltaje2+ canales para abrir. Los iones de calcio que ingresan a la célula inician una cascada de señalización que hace que pequeñas vesículas unidas a la membrana, llamadas vesículas sinápticas, que contienen moléculas de neurotransmisores se fusionen con la membrana presináptica. Las vesículas sinápticas se muestran en la Figura ( PageIndex {6} ), que es una imagen de un microscopio electrónico de barrido.

La fusión de una vesícula con la membrana presináptica hace que se libere un neurotransmisor en la hendidura sináptica, el espacio extracelular entre las membranas presináptica y postsináptica, como se ilustra en la Figura ( PageIndex {7} ). El neurotransmisor se difunde a través de la hendidura sináptica y se une a las proteínas receptoras en la membrana postsináptica.

La unión de un neurotransmisor específico hace que se abran canales iónicos particulares, en este caso canales controlados por ligandos, en la membrana postsináptica. Los neurotransmisores pueden tener efectos excitadores o inhibidores sobre la membrana postsináptica, como se detalla en la siguiente tabla. Por ejemplo, cuando la acetilcolina se libera en la sinapsis entre un nervio y un músculo (llamada unión neuromuscular) por una neurona presináptica, causa sodio postsináptico.+ canales para abrir. N / A+ entra en la célula postsináptica y hace que la membrana postsináptica se despolarice. Esta despolarización se denomina potencial postsináptico excitador (EPSP) y hace que la neurona postsináptica sea más propensa a disparar un potencial de acción. La liberación de neurotransmisores en las sinapsis inhibitorias provoca potenciales postsinápticos inhibidores (IPSP), una hiperpolarización de la membrana presináptica. Por ejemplo, cuando el neurotransmisor GABA (ácido gamma-aminobutírico) se libera de una neurona presináptica, se une y abre Cl- canales. Cl- Los iones entran en la célula e hiperpolariza la membrana, lo que hace que la neurona tenga menos probabilidades de disparar un potencial de acción.

Una vez que se ha producido la neurotransmisión, el neurotransmisor debe eliminarse de la hendidura sináptica para que la membrana postsináptica pueda "restablecerse" y esté lista para recibir otra señal. Esto se puede lograr de tres maneras: el neurotransmisor puede difundirse lejos de la hendidura sináptica, puede ser degradado por enzimas en la hendidura sináptica o puede ser reciclado (a veces llamado recaptación) por la neurona presináptica. Varios fármacos actúan en este paso de la neurotransmisión. Por ejemplo, algunos medicamentos que se administran a los pacientes con Alzheimer funcionan inhibiendo la acetilcolinesterasa, la enzima que degrada la acetilcolina. Esta inhibición de la enzima esencialmente aumenta la neurotransmisión en las sinapsis que liberan acetilcolina. Una vez liberada, la acetilcolina permanece en la hendidura y se puede unir y desvincular continuamente de los receptores postsinápticos.

Tabla ( PageIndex {2} ): Función y ubicación del neurotransmisor
NeurotransmisorEjemploLocalización
AcetilcolinaSNC y / o SNP
Amina biogénicaDopamina, serotonina, norepinefrinaSNC y / o SNP
AminoácidosGlicina, glutamato, aspartato, ácido gamma aminobutíricoSNC
NeuropéptidoSustancia P, endorfinasSNC y / o SNP

Sinapsis eléctrica

Si bien las sinapsis eléctricas son menos numerosas que las sinapsis químicas, se encuentran en todos los sistemas nerviosos y desempeñan funciones importantes y únicas. El modo de neurotransmisión en las sinapsis eléctricas es bastante diferente al de las sinapsis químicas. En una sinapsis eléctrica, las membranas presinápticas y postsinápticas están muy juntas y en realidad están conectadas físicamente por proteínas de canal que forman uniones gap. Las uniones de separación permiten que la corriente pase directamente de una celda a la siguiente. Además de los iones que transportan esta corriente, otras moléculas, como el ATP, pueden difundirse a través de los grandes poros de la unión gap.

Existen diferencias clave entre las sinapsis químicas y eléctricas. Dado que las sinapsis químicas dependen de la liberación de moléculas de neurotransmisores de las vesículas sinápticas para transmitir su señal, existe un retraso de aproximadamente un milisegundo entre el momento en que el potencial del axón alcanza la terminal presináptica y el momento en que el neurotransmisor conduce a la apertura de los canales iónicos postsinápticos. Además, esta señalización es unidireccional. La señalización en las sinapsis eléctricas, por el contrario, es prácticamente instantánea (lo cual es importante para las sinapsis involucradas en los reflejos clave) y algunas sinapsis eléctricas son bidireccionales. Las sinapsis eléctricas también son más fiables, ya que es menos probable que se bloqueen y son importantes para sincronizar la actividad eléctrica de un grupo de neuronas. Por ejemplo, se cree que las sinapsis eléctricas en el tálamo regulan el sueño de ondas lentas y la interrupción de estas sinapsis puede causar convulsiones.

Suma de señales

A veces, un solo EPSP es lo suficientemente fuerte como para inducir un potencial de acción en la neurona postsináptica, pero a menudo múltiples entradas presinápticas deben crear EPSP aproximadamente al mismo tiempo para que la neurona postsináptica se despolarice lo suficiente como para disparar un potencial de acción. Este proceso se llama suma y ocurre en el montículo del axón, como se ilustra en la Figura ( PageIndex {8} ). Además, una neurona a menudo tiene entradas de muchas neuronas presinápticas, algunas excitadoras y otras inhibidoras, por lo que las IPSP pueden cancelar las EPSP y viceversa. Es el cambio neto en el voltaje de la membrana postsináptica lo que determina si la célula postsináptica ha alcanzado su umbral de excitación necesario para disparar un potencial de acción. Juntos, la suma sináptica y el umbral de excitación actúan como un filtro para que el "ruido" aleatorio en el sistema no se transmita como información importante.

Conexión diaria: interfaz cerebro-computadora

La esclerosis lateral amiotrófica (ELA, también llamada enfermedad de Lou Gehrig) es una enfermedad neurológica caracterizada por la degeneración de las neuronas motoras que controlan los movimientos voluntarios. La enfermedad comienza con el debilitamiento de los músculos y la falta de coordinación y finalmente destruye las neuronas que controlan el habla, la respiración y la deglución; al final, la enfermedad puede provocar parálisis. En ese momento, los pacientes necesitan ayuda de máquinas para poder respirar y comunicarse. Se han desarrollado varias tecnologías especiales para permitir que los pacientes "encerrados" se comuniquen con el resto del mundo. Una tecnología, por ejemplo, permite a los pacientes escribir oraciones moviendo la mejilla. Estas oraciones se pueden leer en voz alta en una computadora.

Una línea de investigación relativamente nueva para ayudar a los pacientes paralizados, incluidos aquellos con ELA, a comunicarse y retener un grado de autosuficiencia se llama tecnología de interfaz cerebro-computadora (BCI) y se ilustra en la Figura ( PageIndex {9} ) . Esta tecnología suena como algo salido de la ciencia ficción: permite a los pacientes paralizados controlar una computadora usando solo sus pensamientos. Hay varias formas de BCI. Algunas formas usan registros de EEG de electrodos pegados al cráneo. Estas grabaciones contienen información de grandes poblaciones de neuronas que una computadora puede decodificar. Otras formas de BCI requieren la implantación de una serie de electrodos más pequeños que un sello postal en el área del brazo y la mano de la corteza motora. Esta forma de BCI, aunque más invasiva, es muy poderosa ya que cada electrodo puede registrar potenciales de acción reales de una o más neuronas. Luego, estas señales se envían a una computadora, que ha sido entrenada para decodificar la señal y enviarla a una herramienta, como un cursor en la pantalla de una computadora. Esto significa que un paciente con ELA puede usar el correo electrónico, leer Internet y comunicarse con los demás pensando en mover la mano o el brazo (aunque el paciente paralítico no pueda realizar ese movimiento corporal). Los avances recientes han permitido a una paciente paralizada encerrada que sufrió un derrame cerebral hace 15 años controlar un brazo robótico e incluso alimentarse con café con la tecnología BCI.

A pesar de los asombrosos avances en la tecnología BCI, también tiene limitaciones. La tecnología puede requerir muchas horas de entrenamiento y largos períodos de intensa concentración para el paciente; también puede requerir cirugía cerebral para implantar los dispositivos.

Enlace al aprendizaje

Mire este video en el que una mujer paralizada usa un brazo robótico controlado por el cerebro para llevarse una bebida a la boca, entre otras imágenes de la tecnología de interfaz cerebro-computadora en acción.

Plasticidad sináptica

Las sinapsis no son estructuras estáticas. Pueden debilitarse o fortalecerse. Se pueden romper y se pueden crear nuevas sinapsis. La plasticidad sináptica permite estos cambios, todos necesarios para el funcionamiento del sistema nervioso. De hecho, la plasticidad sináptica es la base del aprendizaje y la memoria. Dos procesos en particular, la potenciación a largo plazo (LTP) y la depresión a largo plazo (LTD) son formas importantes de plasticidad sináptica que se producen en las sinapsis del hipocampo, una región del cerebro que participa en el almacenamiento de recuerdos.

Potenciación a largo plazo (LTP)

La potenciación a largo plazo (LTP) es un fortalecimiento persistente de una conexión sináptica. LTP se basa en el principio de Hebbian: las células que disparan juntas se conectan entre sí. Hay varios mecanismos, ninguno completamente comprendido, detrás del fortalecimiento sináptico observado con LTP. Un mecanismo conocido involucra un tipo de receptor de glutamato postsináptico, llamado receptores NMDA (N-metil-D-aspartato), que se muestra en la figura 35.2.10. Estos receptores normalmente están bloqueados por iones de magnesio; sin embargo, cuando la neurona postsináptica es despolarizada por múltiples entradas presinápticas en rápida sucesión (ya sea de una neurona o de múltiples neuronas), los iones de magnesio son expulsados ​​permitiendo que los iones de Ca pasen a la célula postsináptica. Siguiente, Ca2+ Los iones que ingresan a la célula inician una cascada de señalización que provoca que un tipo diferente de receptor de glutamato, llamado AMPA (ácido α-amino-3-hidroxi-5-metil-4-isoxazolpropiónico), se inserte en la membrana postsináptica, ya que el AMPA activado los receptores permiten que los iones positivos entren en la célula. Entonces, la próxima vez que se libere glutamato de la membrana presináptica, tendrá un efecto excitador mayor (EPSP) en la célula postsináptica porque la unión del glutamato a estos receptores AMPA permitirá que ingresen más iones positivos en la célula. La inserción de receptores AMPA adicionales fortalece la sinapsis y significa que es más probable que la neurona postsináptica se dispare en respuesta a la liberación de neurotransmisores presinápticos. Algunas drogas de abuso cooptan la vía LTP, y este fortalecimiento sináptico puede conducir a la adicción.

Depresión a largo plazo (LTD)

La depresión a largo plazo (LTD) es esencialmente lo contrario de la LTP: es un debilitamiento a largo plazo de una conexión sináptica. Un mecanismo conocido por causar LTD también involucra a los receptores AMPA. En esta situación, el calcio que ingresa a través de los receptores NMDA inicia una cascada de señalización diferente, que da como resultado la eliminación de los receptores AMPA de la membrana postsináptica, como se ilustra en la Figura ( PageIndex {10} ). La disminución de los receptores AMPA en la membrana hace que la neurona postsináptica responda menos al glutamato liberado por la neurona presináptica. Si bien puede parecer contradictorio, LTD puede ser tan importante para el aprendizaje y la memoria como LTP. El debilitamiento y la poda de las sinapsis no utilizadas permite que se pierdan conexiones sin importancia y hace que las sinapsis que se han sometido a LTP sean mucho más fuertes en comparación.

Resumen

Las neuronas tienen membranas cargadas porque hay diferentes concentraciones de iones dentro y fuera de la célula. Los canales iónicos activados por voltaje controlan el movimiento de iones dentro y fuera de una neurona. Cuando una membrana neuronal se despolariza al menos hasta el umbral de excitación, se dispara un potencial de acción. Luego, el potencial de acción se propaga a lo largo de un axón mielinizado hasta las terminales del axón. En una sinapsis química, el potencial de acción provoca la liberación de moléculas neurotransmisoras en la hendidura sináptica. Al unirse a los receptores postsinápticos, el neurotransmisor puede causar potenciales postsinápticos excitadores o inhibidores al despolarizar o hiperpolarizar, respectivamente, la membrana postsináptica. En las sinapsis eléctricas, el potencial de acción se comunica directamente a la célula postsináptica a través de uniones gap, grandes canales de proteínas que conectan las membranas pre y postsinápticas. Las sinapsis no son estructuras estáticas y pueden fortalecerse y debilitarse. Dos mecanismos de plasticidad sináptica son la potenciación a largo plazo y la depresión a largo plazo.

Conexiones de arte

[enlace] Los bloqueadores de los canales de potasio, como la amiodarona y la procainamida, que se usan para tratar la actividad eléctrica anormal en el corazón, llamada disritmia cardíaca, impiden el movimiento de K + a través de los canales de K + activados por voltaje. ¿Qué parte del potencial de acción esperaría que afectaran los canales de potasio?

[link] Los bloqueadores de los canales de potasio ralentizan la fase de repolarización, pero no tienen ningún efecto sobre la despolarización.

Glosario

potencial de acción
cambio momentáneo autopropagado en el potencial eléctrico de la membrana de una neurona (o músculo)
despolarización
cambio en el potencial de membrana a un valor menos negativo
potencial postsináptico excitador (EPSP)
despolarización de una membrana postsináptica causada por moléculas de neurotransmisores liberadas de una célula presináptica
hiperpolarización
cambio en el potencial de membrana a un valor más negativo
potencial postsináptico inhibitorio (IPSP)
hiperpolarización de una membrana postsináptica causada por moléculas de neurotransmisores liberadas por una célula presináptica
depresión a largo plazo (LTD)
Disminución prolongada del acoplamiento sináptico entre una célula presináptica y postsináptica.
potenciación a largo plazo (LTP)
aumento prolongado del acoplamiento sináptico entre una célula pre y postsináptica
Potencial de membrana
Diferencia de potencial eléctrico entre el interior y el exterior de una celda.
periodo refractario
período posterior a un potencial de acción en el que es más difícil o imposible disparar un potencial de acción; causado por la inactivación de los canales de sodio y la activación de canales de potasio adicionales de la membrana
conducción saltatoria
"Saltar" de un potencial de acción a lo largo de un axón de un nodo de Ranvier al siguiente
suma
Proceso de múltiples entradas presinápticas que crean EPSP aproximadamente al mismo tiempo para que la neurona postsináptica se despolarice lo suficiente como para disparar un potencial de acción.
hendidura sináptica
espacio entre las membranas presinápticas y postsinápticas
vesícula sináptica
estructura esférica que contiene un neurotransmisor
umbral de excitación
nivel de despolarización necesario para que un potencial de acción se dispare

Cómo se comunican las neuronas

Todas las funciones realizadas por el sistema nervioso, desde un simple reflejo motor hasta funciones más avanzadas como tomar una memoria o tomar una decisión, requieren neuronas para comunicarse entre sí. Mientras que los humanos usan palabras y lenguaje corporal para comunicarse, las neuronas usan señales eléctricas y químicas. Al igual que una persona en un comité, una neurona generalmente recibe y sintetiza mensajes de muchas otras neuronas antes de "tomar la decisión" de enviar el mensaje a otras neuronas.


Ch. 3: Biología de la adicción

Este capítulo detalla algunos de los temas introducidos en la publicación del NIDA y algunos contenidos adicionales mencionados en nuestro sistema de clasificación del Módulo 2. Leerá un capítulo sobre neurobiología y adicción de Begun y Brown (2014). Como ayuda adicional para su aprendizaje, este capítulo también incluye un ejemplo de caso en el que se aplican muchos de los conceptos.

En este capítulo leerá sobre:

  • el papel de la genética en los trastornos por uso de sustancias / adicción
  • neuroanatomía básica en lo que respecta a los trastornos por uso de sustancias / adicción
  • neurofisiología básica en lo que respecta a los trastornos por uso de sustancias / adicción
  • uso de sustancias y desarrollo humano
  • neurobiología y recuperación de trastornos por uso de sustancias
  • implicaciones clínicas de esta información y,
  • términos clave utilizados en el campo de los trastornos por uso de sustancias y la adicción.

Haga clic aquí para obtener un enlace a nuestro curso Carmen, donde puede ubicar los archivos pdf asignados para este capítulo. Deberá iniciar sesión en nuestro curso Carmen, seleccionar Módulos 3 y amp4 y continuar con el área de Trabajo del curso. Debajo del encabezado Lecturas, encontrará un cuadro con enlaces a las lecturas de los capítulos relevantes de los libros de texto. No olvide volver aquí en su libro de texto para completar los capítulos restantes y las actividades interactivas.

Responda estas preguntas breves para evaluar su conocimiento de las lecturas.


El sistema nervioso central (SNC): las neuronas dentro del cerebro

Figura 1.4.2: El sistema nervioso central

los Sistema nervioso central, o SNC para abreviar, está formado por el cerebro y la médula espinal (consulte la Figura 1.4.2). El SNC es la porción del sistema nervioso que está revestida de hueso (el cerebro está protegido por el cráneo y la médula espinal está protegida por la columna vertebral). Se le conoce como & ldquocentral & rdquo porque son el cerebro y la médula espinal los principales responsables de procesar la información sensorial, como tocar una estufa caliente o ver un arco iris, por ejemplo, y enviar señales al sistema nervioso periférico para que actúe. Se comunica en gran medida mediante el envío de señales eléctricas a través de las células nerviosas individuales que forman los bloques de construcción fundamentales del sistema nervioso, llamados neuronas. Hay aproximadamente 100 mil millones de neuronas en el cerebro humano y cada una tiene muchos contactos con otras neuronas, llamadas sinapsis (Brodal, 1992).

Si pudiéramos ampliar una vista de neuronas individuales, veríamos que son células hechas de partes distintas (ver Figura 1.4.3). Los tres componentes principales de una neurona son las dendritas, el soma y el axón. Las neuronas se comunican entre sí al recibir información a través del dendritas, que actúa como antena. Cuando las dendritas canalizan esta información al soma, o cuerpo celular, se acumula como una señal electroquímica. Esta parte eléctrica de la señal, llamada potencial de acción derriba el axón, una cola larga que se aleja del soma y se dirige a la siguiente neurona. Cuando la gente habla de "quonerves" en el sistema nervioso, normalmente se refiere a haces de axones que forman largos cables neuronales a lo largo de los cuales pueden viajar las señales eléctricas. La comunicación de célula a célula se ve favorecida por el hecho de que el axón está cubierto por un vaina de mielina& mdasha capa de células grasas que permiten que la señal viaje muy rápidamente de una neurona a otra (Kandel, Schwartz & amp Jessell, 2000)

Figura 1.4.3: Las partes de una neurona

Si nos acercáramos aún más, podríamos observar más de cerca la sinapsis, el espacio entre neuronas (ver Figura 1.4.4). Aquí, veríamos que hay un espacio entre neuronas, llamado brecha sináptica. Para darle una idea de la escala, podemos comparar el espacio sináptico con el grosor de una moneda de diez centavos, la más delgada de todas las monedas estadounidenses (aproximadamente 1,35 mm). ¡Podrías apilar aproximadamente 70,000 espacios sinápticos en el grosor de una sola moneda!

Como potencial de acción, la señal eléctrica llega al final del axón, pequeños paquetes de químicos, llamados neurotransmisores, son liberados. Esta es la parte química de la señal electroquímica. Estos neurotransmisores son las señales químicas que viajan de una neurona a otra, lo que les permite comunicarse entre sí. Hay muchos tipos diferentes de neurotransmisores y cada uno tiene una función especializada. Por ejemplo, la serotonina afecta el sueño, el hambre y el estado de ánimo. La dopamina se asocia con la atención, el aprendizaje y el placer (Kandel & amp Schwartz, 1982)

Figura 1.4.4: Vista de la sinapsis entre neuronas

Es asombroso darse cuenta de que cuando piensas y mdash, cuando extiendes la mano para tomar un vaso de agua, cuando te das cuenta de que tu mejor amigo está feliz, cuando tratas de recordar el nombre de las partes de una neurona, lo que estás experimentando es en realidad electroquímico. impulsos disparados entre los nervios!


¿Cómo funcionan las señales nerviosas?

Las señales nerviosas en realidad se reducen a una química interesante. Las células nerviosas se comunican entre sí mediante sustancias químicas llamadas neurotransmisores. Si la combinación de neurotransmisores es correcta, pueden hacer que una corriente eléctrica recorra la célula nerviosa. Luego, la señal nerviosa eléctrica viaja a lo largo de un axón en una ráfaga de química. Los iones, que son moléculas pequeñas y cargadas, entran y salen de las entradas de la membrana. Estos movimientos viajan por el axón, como fichas de dominó que se han volcado. Una vez que la corriente eléctrica llega al final de la celda, hace que se liberen otras sustancias químicas. Este movimiento de una señal por una neurona se llama potencial de acción. La mayoría de las neuronas se activan de esta forma, pero no todas son iguales.


4.3: Cómo se comunican las neuronas: biología

El sistema nervioso es una colección notable de células que gobierna el comportamiento tanto involuntario como voluntario, mientras que también mantiene homeostasis. Las funciones del sistema nervioso incluyen:

& middot & emspCognition (pensamiento) y resolución de problemas

& middot & emspFunción ejecutiva y planificación

& middot & emspComprensión y creación de idiomas

& middot & emsp Emoción y expresión emocional

& middot & emspRegulación de órganos endocrinos

& middot & emsp Regulación de la frecuencia cardíaca, frecuencia respiratoria, resistencia vascular, temperatura y glándulas exocrinas

El sistema nervioso humano es una red compleja de más de 100 mil millones de células que se comunican, coordinan y regulan las señales para el resto del cuerpo. La acción mental y física ocurre cuando el cuerpo puede reaccionar a estímulos externos utilizando el sistema nervioso. En esta sección, veremos el sistema nervioso y su organización básica.

Nota: Gran parte de la información contenida en esta sección también se analiza en el Capítulo 1 de MCAT Behavioral Sciences Review.

SISTEMAS NERVIOSOS CENTRALES Y PERIFÉRICOS

En términos generales, hay tres tipos de células nerviosas en el sistema nervioso: neuronas sensoriales, neuronas motoras e interneuronas. Neuronas sensoriales (también conocido como neuronas aferentes) transmiten información sensorial de los receptores a la médula espinal y al cerebro. Neuronas motoras (también conocido comoneuronas eferentes) transmiten información motora desde el cerebro y la médula espinal a los músculos y las glándulas. Interneuronas se encuentran entre otras neuronas y son las más numerosas de los tres tipos. Las interneuronas se encuentran predominantemente en el cerebro y la médula espinal y, a menudo, están relacionadas con el comportamiento reflexivo.

ALas neuronas diferentes ascienden en la médula espinal hacia las neuronas eferentes del cerebro. mixit la médula espinal en su camino hacia el resto del cuerpo.

Los diferentes tipos de información requieren diferentes tipos de procesamiento. El procesamiento de estímulos y la generación de respuestas pueden ocurrir a nivel de la médula espinal o pueden requerir información del tronco encefálico o de la corteza cerebral. Los reflejos, que se analizan más adelante en esta sección, solo requieren procesamiento a nivel de la médula espinal. Por ejemplo, cuando un martillo de reflejos golpea el tendón rotuliano, la información sensorial va a la médula espinal, donde se envía una señal motora al músculo cuádriceps, lo que hace que la pierna se mueva hacia adelante a la altura de la rodilla. No se requiere ninguna información del cerebro. Sin embargo, algunos escenarios requieren información del cerebro o del tronco del encéfalo. Cuando esto pasa, supraespinal Se utilizan circuitos.

Pasemos a la estructura general del sistema nervioso humano, que se muestra en el diagrama de la figura 4.9.

Figura 4.9. Principales divisiones del sistema nervioso

El sistema nervioso se puede dividir en dos componentes principales: los sistemas nerviosos central y periférico. los sistema nervioso central (SNC) está compuesto por el cerebro y la médula espinal. El cerebro está formado por materia blanca y materia gris. los materia blanca consta de axones encerrados en vainas de mielina. los Materia gris consta de cuerpos celulares amielínicos y dendritas. En el cerebro, la materia blanca se encuentra más profunda que la materia gris. En la base del cerebro se encuentra el tronco encefálico, que es en gran parte responsable de las funciones básicas de la vida, como la respiración. Tenga en cuenta que los lóbulos del cerebro y las principales estructuras cerebrales se analizan en el capítulo 1 de Revisión de Ciencias del Comportamiento MCAT.

La médula espinal se extiende hacia abajo desde el tronco encefálico y se puede dividir en cuatro divisiones: cervical, torácico, lumbar, y sacro. Casi todas las estructuras debajo del cuello reciben inervación sensorial y motora de la médula espinal. La médula espinal está protegida por la columna vertebral, que transmite nervios en el espacio entre vértebras adyacentes. Al igual que el cerebro, la médula espinal también está formada por materia blanca y gris. La materia blanca se encuentra en el exterior del cordón y la materia gris se encuentra en su interior. Los axones de las neuronas motoras y sensoriales se encuentran en la médula espinal. Las neuronas sensoriales traen información desde la periferia y entran en el lado dorsal (posterior) de la médula espinal. Los cuerpos celulares de estas neuronas sensoriales se encuentran en el ganglios de la raíz dorsal. Las neuronas motoras salen de la médula espinal ventralmente o en el lado más cercano a la parte frontal del cuerpo. La estructura de la médula espinal se puede ver en la Figura 4.10.

Figura 4.10. La medula espinal Las neuronas sensoriales transmiten información sobre el dolor, la temperatura y la vibración hasta el cerebro y tienen cuerpos celulares en los ganglios de la raíz dorsal hacia la parte posterior de la médula espinal.Las neuronas motoras van desde el cerebro a lo largo del lado opuesto de la médula espinal en la raíz ventral. y controlar los movimientos del músculo esquelético y las secreciones glandulares.

los sistema nervioso periférico (PNS), por el contrario, está formado por tejido nervioso y fibras fuera del cerebro y la médula espinal, como los 12 pares de nervios craneales y los 31 pares de nervios espinales. Por tanto, el SNP conecta el SNC con el resto del cuerpo y puede subdividirse en los sistemas nerviosos somático y autónomo.

los sistema nervioso somático consta de neuronas sensoriales y motoras distribuidas por la piel, las articulaciones y los músculos. Las neuronas sensoriales transmiten información a través de fibras aferentes. Los impulsos motores, por el contrario, viajan a lo largo de fibras eferentes.

los Sistema nervioso autónomo (ANS) generalmente regula los latidos del corazón, la respiración, la digestión y las secreciones glandulares. En otras palabras, el ANS maneja los músculos involuntarios asociados con muchos órganos internos y glándulas. El ANS también ayuda a regular la temperatura corporal activando la sudoración o la piloerección, según tengamos demasiado calor o demasiado frío. Lo principal que hay que entender acerca de estas funciones es que son automáticas o independientes del control consciente. Tenga en cuenta la similitud entre las palabras autonómico y automático. Esta asociación hace que sea fácil recordar que el sistema nervioso autónomo gestiona funciones automáticas como los latidos del corazón, la respiración, la digestión y el control de la temperatura.

Una diferencia principal entre los sistemas nerviosos somático y autónomo es que el componente periférico del sistema nervioso autónomo contiene dos neuronas. Una neurona motora del sistema nervioso somático va directamente desde la médula espinal al músculo sin hacer sinapsis. En el sistema nervioso autónomo, dos neuronas trabajan en serie para transmitir mensajes desde la médula espinal. La primera neurona se conoce como neurona preganglionar, mientras que el segundo es el neurona posganglionar. El soma de la neurona preganglionar está en el SNC y su axón viaja a un ganglio en el SNP. Aquí hace sinapsis en el cuerpo celular de la neurona posganglionar, que luego afecta al tejido diana.

CONCEPTO CLAVE

La primera neurona del sistema nervioso autónomo se llama neurona preganglionar. La segunda neurona es la neurona posganglionar.

EL SISTEMA NERVIOSO AUTONÓMICO

El ANS tiene dos subdivisiones: el sistema nervioso simpático y el sistema nervioso parasimpático. Estas dos ramas a menudo actúan en oposición entre sí, lo que significa que son antagónicas. Por ejemplo, el sistema nervioso simpático actúa para acelerar la frecuencia cardíaca e inhibir la digestión, mientras que el sistema nervioso parasimpático, por el contrario, desacelera la frecuencia cardíaca y aumenta la digestión.

El papel principal de la sistema nervioso parasimpático es conservar energía. Se asocia con estados de reposo y sueño y actúa para reducir la frecuencia cardíaca y contraer los bronquios. El sistema nervioso parasimpático también es responsable de controlar la digestión aumentando la peristalsis y las secreciones exocrinas. La acetilcolina es el neurotransmisor responsable de las respuestas parasimpáticas en el cuerpo y es liberada por neuronas preganglionares y posganglionares. El nervio vago (par craneal X) es responsable de gran parte de la inervación parasimpática de la cavidad torácica y abdominal. Las funciones del sistema nervioso parasimpático se resumen en la figura 4.11.

Figura 4.11. Funciones del sistema nervioso parasimpático

En contraste, el sistema nervioso simpático es activado por el estrés. Esto puede incluir todo, desde un factor estresante leve, como mantenerse al día con el trabajo escolar, hasta emergencias que marcan la diferencia entre la vida y la muerte. El sistema nervioso simpático está estrechamente asociado con reacciones de rabia y miedo, también conocidas como reacciones de "lucha o huida". Cuando se activa, el sistema nervioso simpático:

& middot & emspRedistribuye la sangre a los músculos de locomoción

& middot & emspAumenta la concentración de glucosa en sangre

& middot & emsp Disminuye la digestión y la peristalsis

& middot & emspDilata los ojos para maximizar la ingesta de luz

& middot & emsp Libera epinefrina en el torrente sanguíneo

Sistemas nerviosos simpático y parasimpático:

& middot & emspSympathetic: "pelear-o-vuelo

& middot & emspParasympathetic: "descansar-y-digerir

Las funciones del sistema nervioso simpático se resumen en la figura 4.12. En el sistema nervioso simpático, las neuronas preganglionares liberan acetilcolina, mientras que la mayoría de las neuronas posganglionares liberan noradrenalina.

Figura 4.12. Funciones del sistema nervioso simpático

Circuitos neuronales llamados arcos reflejos controlar el comportamiento reflexivo. Por ejemplo, considere lo que ocurre cuando alguien pisa un clavo. Los receptores en el pie detectan el dolor y la señal de dolor es transmitida por neuronas sensoriales hasta la médula espinal. En ese punto, las neuronas sensoriales se conectan con las interneuronas, que luego pueden transmitir los impulsos de dolor al cerebro. En lugar de esperar a que el cerebro envíe una señal, las interneuronas de la médula espinal también pueden enviar señales directamente a los músculos de ambas piernas, lo que hace que el individuo retire el pie con dolor mientras lo sostiene con el otro pie. La información sensorial original todavía llega al cerebro, sin embargo, cuando llega allí, los músculos ya han respondido al dolor, gracias al arco reflejo. Hay dos tipos de arcos reflejos: monosinápticos y polisinápticos.

CONCEPTO CLAVE

Considere el propósito de los reflejos. Aunque puede ser divertido hacer que las piernas de tus amigos salten cuando los tocas, hay una razón más funcional por la que ocurre esta respuesta. El estiramiento del tendón rotuliano hace que el cuerpo piense que el músculo se está estirando demasiado. En respuesta, el músculo se contrae para evitar lesiones.

Monosináptico

en un arco reflejo monosináptico, hay una única sinapsis entre la neurona sensorial que recibe el estímulo y la neurona motora que responde a él. Un ejemplo clásico es el reflejo instintivo, que se muestra en la Figura 4.13. Cuando se estira el tendón rotuliano, la información viaja por la neurona sensorial (aferente, presináptica) hasta la médula espinal, donde interactúa con la neurona motora (eferente, postsináptica) que contrae el músculo cuádriceps. El resultado neto es la extensión de la pierna, que disminuye la tensión en el tendón rotuliano. Tenga en cuenta que el reflejo es simplemente un circuito de retroalimentación y una respuesta a una posible lesión. Si el tendón rotuliano o los músculos cuádriceps se estiran demasiado, pueden desgarrarse y dañar la articulación de la rodilla. Por tanto, el reflejo sirve para proteger el músculo.

Figura 4.13. El reflejo de la rodilla El reflejo rotuliano o de extensión de la rodilla se puede provocar estirando rápidamente el tendón rotuliano con un martillo de reflejos.

Polisináptica

en un arco reflejo polisináptico, hay al menos una interneurona entre las neuronas sensoriales y motoras. Un ejemplo de la vida real es la reacción al pisar un clavo descrita anteriormente, que involucra al reflejo de retirada. Se estimulará la flexión de la pierna con la que se pisa la uña, utilizando los músculos de la cadera y los músculos isquiotibiales, alejando el pie de la uña. Este es un reflejo monosináptico, similar al reflejo rotuliano descrito anteriormente. Sin embargo, para que la persona mantenga el equilibrio, el otro pie debe estar plantado firmemente en el suelo. Para que esto suceda, se debe estimular la neurona motora que controla los músculos cuádriceps en la pierna opuesta, extendiendo esa pierna. Las interneuronas de la médula espinal proporcionan las conexiones desde la información sensorial entrante hasta las neuronas motoras de la pierna de apoyo.

Comprobación del concepto MCAT 4.3:

Antes de continuar, evalúe su comprensión del material con estas preguntas.

1. ¿Qué partes del sistema nervioso se encuentran en el sistema nervioso central (SNC)? ¿Sistema nervioso periférico (SNP)?

2. ¿Qué hacen las neuronas aferentes? ¿Neuronas eferentes?

3. ¿Qué funciones cumple el sistema nervioso somático? ¿El sistema nervioso autónomo?

4. ¿Cuáles son los efectos del sistema nervioso simpático? ¿El sistema nervioso parasimpático?

5. ¿Cuál es la vía de los impulsos neurales en un reflejo monosináptico? ¿En un reflejo polisináptico?


En conclusión

En nuestro sistema nervioso existe una gran diversidad de tipos de neuronas que se adaptan y especializan según sus funciones para que todos los procesos mentales y fisiológicos puedan desarrollarse en tiempo real (a una velocidad vertiginosa) y sin contratiempos.

El cerebro es una máquina muy bien engrasada precisamente porque tanto las clases de neuronas como las partes del cerebro realizan muy bien las funciones a las que se adaptan, aunque esto puede ser un dolor de cabeza a la hora de estudiarlas y comprenderlas.


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