Bases fisico-químicas y modelado del tejido excitable.

núcleo de ingeniería biomédicafacultades de ingeniería y medicina

universidad de la república

Sistema Nervioso Central

La función principal del SNC es la de captar, transmitir y elaborar información.

Sistema endócrino: envia órdenes por medio de las hormonas, que a traves de la sangre, determinan respuestas en los diversos organos.

Sistema nervioso: envia órdenes por las vias nerviosas dirigidas directamente a cada uno de los órganos.

Funciones del sistema nervioso

l Funciones sensoriales: Los estímulos recibidos por receptores sensoriales que son neuronas especializadas en transducir algún cambio sonoro, térmico, etc.

l Funciones motoras: Control y regulación de actividades corporales. Se regulan músculos esqueléticos y lisos, glándulas, etc.

l Funciones superiores: Elaboración de planes o ideas de actuación propios, utilizando la memoria.

Niveles funcionales del sistema nervioso

l SISTEMA NERVIOSO PERIFÉRICO – Proyecciones del tejido nervioso desde los órganos centrales (cerebro, cerebelo, médula, etc) hasta los órganos periféricos.

l SISTEMA NERVIOSO CENTRAL – Constituido por encéfalo superior, encéfalo inferior y médula.

l Encéfalo inferior: Encargado de las funciones que no requieren atención consciente dirigida (sistema vestibular, respiración, etc.) lEncéfalo superior: Funciones conscientes, memoria.lMédula: Vía de conducción de señales desde la periferia hasta el encéfalo.

Celulas exitables

Entre las células excitables se pueden distinguir principalmente las nerviosas (o neuronas) y las células musculares.

l NEURONAS - transmiten a otras y a células musculares, el impulso excitatorio. Característica fundamental para la formación del sistema nervioso.

l CÉLULAS MUSCULARES – Son las responsables de la contracción y distensión del tejido muscular.

Histología de la neurona

l Soma - contiene el núcleo celular y ocurre la síntesis proteica.

l Dendritas – prolongaciones citoplasmáticas, la mayor parte de la estimulación de la célula.

l Axón - extensión fina, semejante a un cable miles de veces el tamaño del soma. Transmite el impulso nervioso al exterior de la neurona.

Histología de la neurona

l La mayoría de las neuronas de vertebrados reciben el estímulo electroquímico en el soma o dendritasy lo transmiten a través del axón.

l Dicha transmisión se llama Transmisión sináptica.

Membrana celular

lEn el interior y exterior de la célula existen iones en distintas concentraciones.lLa membrana celular es semipermeable para estos iones.lLa semipermeabilidad permite el movimiento pasivo de iones.lEl reposo se alcanza cuando existe equilibrio electroquímico.

Membrana celular

Difusión a través de la membrana celular

TRES TIPOS:DIFUSION SIMPLEDifusión de sustancias sin cargas, pequeño diametro. O2, N2, alcoholes, urea, etc…PASIVA O FACILITADA

- Difusión por canales iónicos específicos. Regulan el pasaje de iones específicos. Sus características pueden cambiar con estímulos externos. (Activos o Pasivos)

- La difusión se da en favor de los gradientes de concentración.- Facilitada macromoléculas

Ø ACTIVA.- Bombas: transportan en contra de gradientes, consumen ATP (energía).

Difusión a través de la membrana celular

Membrana celular

l Equilibrio electroquímico− Las concentraciones iónicas y la diferencia de potencial

eléctrico generado, se cancelan logrando un movimiento neto nulo de iones.

− La distribución iónica no es simétrica a ambos lados de la membrana celular.

gradientes de concentraciónpotencial eléctrico de reposo

Equilibrio electroquímico

Ecuación de Nernst-Planck

R : Constante de los gases (8,31 J/K.mol) Z : Valencia iónicaT : Temperatura absolutaF : Constante de Faraday (96484,5561 C/mol)

Pej: -90mV para el K

Equilibrio electroquímico

Ecuación de Nernst-Planck

Equilibrio electroquímicoPOTENCIAL DE REPOSO

Ecuación de Goldman-Hodgkin y Katz

No obtante, el Na+ seguíría entrando para anular las cargas negativas dentro de la neurona permitiendo la salida de K+ con lo que Vrep >>>0, para esto existe la Bomba Na+-K+.Así pues la bomba mantiene la polaridad de la membranaSe ha estimado que una neurona tiene 1.000.000 de Bombas Na+-K+ con una actividad capaz de movilizar 200.000.000 de iones Na+ /seg

Modelado de la membrana celular

MEMBRANA CELULAR

Comportamiento eléctrico característico,

Circuito equivalente de una célula esférica. Vm es el potencial de reposo, rm y Cm las resistencia y capacidad de la célula.

Cm tiene un valor aproximado de 1 uF/cm²

Modelado de la membrana celular

MEMBRANA CELULAR

Componentes de las conduc-tancias de Na+ y K+ con sus respectivos potenciales de equilibrio.

Canales iónicos

l Los canales iónicos son canales dependientes de voltaje:

− La variación de voltaje transmembrana modifica la permeabilidad de los canales, generando corriente iónica en favor de los gradientes electroquímicos.

Fenómenos eléctricos

l Potencial transmembrana puede modificarse por estímulos mecánicos, eléctricos, térmicos o químicos.

l Estímulos:− Baja intensidad: Potencial local− Alta intensidad: Potencial de acción

Potencial local

l El exceso de cargas eléctricas introducidas en la célula nerviosa, por estimulación eléctrica, causa una variación del potencial transmembrana.

l Esto induce un flujo neto de iones (principalmente K+). No ocurren cambios sustanciales en las permeabilidades de los canales iónicos.

l Dura de 10 a 15 ms. Tras lo cual se recupera las concentraciones iónicas y el potencial de reposo.

Potencial local

Potencial local

l No es autopropagable.l Se extiende pocos mm.l Pueden tener signo positivo o negativo.l Entrada de cargas positivas: depolarizante.l Entrada de cargas negativas: hiperpolarizante.l Son potenciales sumables.

Potencial de acción

l Si un estímulo o la suma de varios supera los 20 mV de depolarización, (sube de -70 mV a -50 mV), se producen variaciones en las permeabilidades de los canales iónicos, provocando cambios bruscos de flujos iónicos y potencial transmembrana. Esto se llama Potencial de Acción.

l Se llama Potencial de Umbral, al cambio mínimo necesario para producir un Potencial de Acción.

Potencial de acción

Fases del potencial de acción:− Depolarización: 0,2 a 0,5 ms. Se alcanza un voltaje de

hasta +30 mV.− Repolarización: 0,5 ms. El voltaje vuelve al valor de

potencial de reposo.− Post-potencial hiperpolarizante: El voltaje desciende por

debajo del potencial de reposo.

Potencial de acción

l Ley del “Todo o nada”.l Amplitud variable, depende de del equilibrio iónico

y permeabilidades de la neurona.l Implica la apertura de canales iónicos dependientes

de voltaje.l Corta duración (1 a 2 ms).l Depolarizante.l No es sumable.l Autopropagable por toda la membrana neuronal.

Potencial de acción

Potencial de acción

Gráfica de corrientes (flujo iónico) frente a voltaje (potencial de membrana), ilustrando el umbral (flecha roja) del potencial de acción de una célula ideal.

Potencial de acción

l Al final existe un desequilibrio ionico que es constantemente restaurado con la Bomba Na/K. Se consume ATP, se introducen iones K+ y se extraen iones Na+, en contra de los gradientes electroquímicos, buscando el equilibrio electroquímico.

Potencial de acción

l Existe el llamado Período Refractario.− Debido a que la permeabilidad de los canales de Na+

queda inactivada durante un breve lapso posterior al Pontencial de Acción. Esto da la direccionalidad en la propagacion del impulso.

− El Período Refractario Absoluto, es el lapso en el cual no se produce ningún potencial de acción, cualquiera sea la intensidad del estímulo (duración entre 1 y 2 ms).

− El Período Refractario Relativo, es el lapso en que puede producirse un Potencial de Acción, pero con un estímulo superior al normal.

Propagación del potencial de acción

Propagación del potencial de acción

l Existen axones mielínicos y amielínicos.l Amielínicos: Conducción continua.l Mielínicos: Conducción saltatoria.l A lo largo del axón mielínico existen espacios sin

mielina llamados Nodos de Ranvier. En estos nodos se genera el potencial de acción.

l La propagación saltatoria consume menos cantidad de energía al tener que mover menos iones la Bomba Na/K.

Propagación del potencial de acción entre neuronas

l La terminación del axón se llama “cono axónico”.l Tiene mayor densidad de canales iónicos, lo que la

hace más fácilmente excitable.l Los terminales axónicos son zonas especializadas en

liberar neurotransmisores que son los responsables de mediar en la sinapsis.

l Las dendritas se ubican en la postsinapsis, obteniendo un estímulo químico que genera un Potencial de Acción.

Conexión neurona-neurona

Sistema muscular

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Juntura neuromuscular•De la espina dorsal a músculos esqueléticos llegan fibras motoras eferentes.

•Cada fibra controla un grupo específico de músculos.

•Para músculos grandes cada fibra nerviosa controla entre 100 y 200 fibras musculares. Para la motricidad fina, cada fibra nerviosa controla hasta 6 fibras musculares.

•Estimular una fibra nerviosa produce la contracción de todos los músculos asociados a la fibra.

Tejido muscular

• Tres tipos de músculos:– De contracción voluntaria:

• Músculo esquelético: mayor volumen, 40% de la masa corporal.

– De contracción involuntaria inervada:• Muslo liso: tracto digestivo, vasos sanguíneos (no se

tratara en este curso)– De contracción involuntaria no inervada:

• Músculo cardíaco: miocardio (próxima clase)

Músculo esquelético

• Estructura:– Haz de fibras.– Fibra muscular: es la célula

muscular, miocito, 10 a 100um de diámetro.

– Miofibrilla: unidad básica, dan el aspecto estriado.

– Miofilamentos: miosina (gruesos) y actina (delgados).

Músculo esqueléticoMiofibrilla:Bandas:

• Banda A: bandas oscuras, miosina y actina.• Banda I: bandas claras, actina.• Banda H: bandas pálidas, miosina.• Sarcómero: unidad funcional comprendida entre líneas Z

por una banda A y dos medias bandas I. Longitud dependiente de la contracción.

Músculo esquelético• Miofilamentos:

• Grueso: • Unas 300 moléculas de miosina.• Tienen 1.5 micras de longitud y 100-400 A de diámetro.

• Delgado:• Están compuestos por 3 proteínas: actina fundamentalmente,

tropomiosina y troponina, en relación 7:1:1.

Fisiología Muscular• Dinámica de la contracción muscular:

• El potencial de acción viaja por la fibra eferente motora hacia la juntura neuromuscular (centro de fibra muscular).

• Cada axón eferente, se divide en varios cientos de ramas que activaran cada una de las fibras musculares.

• Se produce la apertura de canales de Na+ (ingresa a la célula muscular). • Vm >= -50mv → Pot. de Acción Muscular. Una serie de túbulos (llamados T),

se encargan de difundir dicho potencial a toda la fibra muscular. • Esto provoca apertura de canales de Ca++ que ingresa y baña a cada una de las

miofibrillas. El ion Ca++ es clave en el acoplamiento que produce la contracción.

• Luego la bomba de Ca++ regresa dicho ion a sus valores normales para la distensión.

Fisiología Muscular• Contracción:

• Resulta del acortamiento del sarcómero, desplazamiento de miofilamentos delgados sobre gruesos.

• El Ca que llegó se une a la troponina generando un cambio en su posición, dejando al descubierto la zona de contacto de la actina con la miosina. Dado esto, las cabezas de miosina se unen con dichos puntos de contacto. Mediante hidrólisis de de ATP, la cabeza de miosina gira 45 grados produciéndose un desplazamiento del miofilamento delgado hacia el centro del sarcómero de unos 5nm.

• Luego la cabeza se desengancha y vuelve a quedar en posición vertical para volver a acoplarse y repetir el proceso como si fuera una especie de remo.

• La relajación muscular sucede cuando los iones de Ca vuelven a sus concentraciones de reposo.

Célula muscular cardíaca (miocitocardíaco)

• En el miocito la activación eléctrica ocurre igual que en las neuronas:

– Ingreso de iones Na+• La amplitud del PA es de 100 mV

(también similar)

• La duración es cerca de 100 veces mayor que en neuronas y miocitosesqueléticos (300 ms).

• La repolarización es consecuencia del egreso de iones K+

• Una importante diferencia entre el miocito cardíaco y el miocitoesquelético o liso, es que el cardíaco propaga el estímulo de una célula a la otra en cualquier dirección.

Conceptos Importantes

• Estructura de la neurona, transmisión sináptica.• Canales iónicos, equilibrio iónico (Ley de Nernst)

y modelo Hodgkin-Huxley• Potencial de acción: causas, flujo iónico y

recuperación de concentraciones, forma de onda, valores y sus causas

• Diferencias entre potencial local y potencial de acción. Ley de “todo o nada”. Período refractario.

• Propagación del PA en el axón. Nodos de Ranvier.

Conceptos Importantes

• Juntura neuromuscular: qué es, control consciente de la musculatura

• Tipos de tejido muscular• Dinámica de la contracción muscular• Miocito cardíaco: diferencia con miocito

esquelético, características del PA, propagación a otras células

Referencias• Simini, F - "Ingeniería Biomédica: perspectivas desde el Uruguay", Depto.

Publicaciones UR, 2007

• Webster, J - "Medical Instrumentation. Application and design", 3ra ed, JW&S, 1998

• Malmivuo, J y Plonsey, R - "Bioelectromagnetism. Principles and applications ofbioelectric and biomagnetic fields", Oxford University Press, 1995 (http://butler.cc.tut.fi/~malmivuo/bem/bembook/index.htm)