La resistencia de la membrana influyesobre la magnitud de las señaleseléctricas

La capacitancia de la membranaprolonga la duración de las señaleseléctricas

La resistencia da la membrana y laaxoplásmica influyan sobre la eficacia dtconducción de la Banal

Las propiedades paiivaa da la mimbran*y'el diámetro dal axón influyan sn lavelocidad de propagación dal potancialde acción

Trasmisión local dela señal eléctrica: propiedadeseléctricas pasivas de la neurona

tinque todas las células del orcjanismo poseen un poten-cial de membrana, sólo las neuronas tienen la capacidad degenerar señales eléctricas muy r.ápidas, que pueden serconducidas a grandes distancias a lo largo de las dendritasy de los axones. En el capitulo anterior se r.ó cómo lospotenciales de membrana se generaban por la presencia degradientes de concentración para los distintos :cnes y por lapermeabilidad diferencial de la membrana celular a los mis-mos. Utilizando la ecuación de Goldman se puda calcular elpotencial de membrana esperado, en respuer.a a un con-junto determinado de gradientes de concentración iónica yde permeabilidades de membrana.

Esta descripción, sin embargo, no nos daba r-mguna infor-mación acerca de los cambios que sufría el potencial demembrana en respuesta a un estímulo. De hecho, la ecua-ción de Goldman sólo se aplica a la situación ce equilibrio,en la cual el voltaje no sufre variación. Cuandc ±ia neuronaconüenrúa a generar 56f-«i'3s. 53 decir, se corr.jjiica, cornoocurre cuando la neurona genera los potenciales recepto-res, sinápticos o de acción (véase la Figura 2-12). el voltajea través de la membrana varía constantemente .Qué deter-mina la tasa de variación del potencial de membrana en res-puesta a un estímulo?. ¿Podrá una breve corriente sinápíicaproducir indefectiblemente el mismo cambio er. el potencialde membrana, independientemente del tamañc de la célulapostsináplica?. ¿Qué determina que un estímiir dado estépor encima o por debajo del umbral?.

164 S B C C Í Ó f l I J J . LA COMULGACIÓN OTRA^EUROttAL

Cara extracelular

Generador {de corrientai

p=r

1 Monitor para

.y ^p de membran;

ÍlCara citoplasmálica

Figura 9-2 Un circuito eléctricosimplificado equivalente.puede servirpara analizar los efectos de la capaci-tancia de la membrana (C) sobre latasa de cambio del potencial de mem-brana en respuesta al flujo de comen-te. Todos los canales que conduceniones se agrupan en un único elemen-to (R). Las pilas que representan lasfuerzas electromotrices generadaspor la difusión iónica no se incluyenporque sólo afectan al valor absolutodel potencial de membrana, no a latasa de variación. Este circuito equiva-lente representa el modelo experi-mental descrito en el Recuadro 8-1, enel que los dos pares de electrodos seconectan al generador de corriente y>(

al monitor de registro del potencial demembrana.

cambio brusco similar en el voltaje, la célula de laFigura 9-1 nos demuestra que el cambio en el vol-taje se produce de forma paulatina. Como vere-mos, esta propiedad de la membrana se debe a lacapacitancia de la misma, a su propiedad de fun-cionar como un condensador.

Para entender cómo la capacitancia de la mem-brana es capaz de erúenlecer la respuesta del vol-taje se debe recordar que la diferencia de poten-cial a ambos lados de un condensador esproporciona] a la carga que almacena;

V=QtC •

en donde C es la capacitancia "del condensador.Para modiñcar el voltaje a través del condensadorse requiere que la carga que éste acumula varíe(aumente o disminuya):

La variación en la carga (AQ) es el resultado delflujo de corriente a ambos lados del condensador(/c). Dado que la comente es el flujo de cargasque atraviesa un conductor por unidad de tiempo(AQM¿), se puede expresar el cambio que sufre elvoltaje a través del condensador en función de lacorriente y del tiempo durante la cual ésta fluye

(1)

De esta expresión se deduce que la magnitud dela variación en el voltaje a través de un condensa-dor en respuesta a un pulso de comente dependede la duración de ésta; se necesita un tiempo paradepositar o retirar cargas eléctricas en las doscaras del condensador.

La capacitancia es directamente proporcional alárea de las dos superficies que forman un con-densador. Cuanto más grande sea ésta, máscarga podrá ̂ almacenar en respuesta a una dife-rencia de potencial dada. El valor de la capacitan-cia también depende del medio aislante, y de ladistancia existente entre ambas superficies delcondensador. Todas las membranas biológicasestán compuestas de un material aislante pareci-do, y tienen una separación similar entre sus dossuperficies (4 nm). La capacitancia específica porunidad de superficie, Cm, en cualquier membranabiológica es similar y su valor es de aproximada-mente 1 pF/cm2. La capacitancia total de una célu-la en respuesta a una entrada de corriente (ClMU)es el producto de Cm por la superficie total de lamembrana celular:

CM = Cm(4ita*)De estas ecuaciones se desprende que se necesi-ta mucha más carga, y por tanto más corriente, enuna célula grande para producir la misma varia-ción del potencial de membrana que en una célu-la pequeña.

Siguiendo 1?. Ecuación I . el voltaje a través cíe !?.membrana continuará aumentando con el tiempoen tanto en cuanto dure la aplicación del pulso decorriente. Sin embargo, la realidad es que el vol-taje alcanza un nivel sólo tras un cierto tiempo(véase la Figura 9-1) porque la membrana de laneurona actúa como una resistencia (debido a suscanales conductores de iones) y un condensador(por la doble capa de lípidos). En términos delmodelo de un circuito eléctrico equivalente, como

9. Trnnsmisión local do In señal clcclricn.

se propuso en el Capítulo 8, se conectan la resi-tencia y el condensador en paralelo, ya que lacorriente que atraviesa la membrana puede fluirtanto a través de los canales iónicos (vía de laresistencia) como a través del condensador(véase la Figura 9-2). Por tanto, la corriente netaque atraviesa la membrana, 7m, viene dada por la

. suma de la corriente iónica (o resistente) 4 y de lacorriente que atraviesa el condensador (/c):

/£5/l + /c. (2)

La capacitancia oe la membrana tiene el efectode reducir la tasa de variación del potencial demembrana en respuesta a un pulso de corriente(véase la Figura 9-3). Si la membrana sólo tuvierapropiedades de resistencia eléctrica, un pulsoescalonado de comente cambiaría el potencial demembrana instantáneamente. Por el contrario, sila membrana sólo tuviera propiedades de capaci-tancia, el potencial de membrana cambiaría line-almente en respuesta al curso temporal del pulsode corriente. Dado que la .membrana tiene ambascaracterísticas en paralelo, la variación real en elpotencial de membrana combina las característi-cas de ambas respuestas por separado. Por tanto,la pendiente inicial de Vm en función del tiempo esla misma que la que presentaría un condensadorpuro, mientras que«la pendiente final y la amplitudson las mismas que presentaría un componentede resistencia puro.

\' Se comprende ahora por qué un pulso escalo-nado dé corriente produce un incremento lento,en forma de onda, en el voltaje, tai y como semuestra en la Figura 9-3. Como la resistencia y lacapacitancia de la membrana están en paralelo, elvoltaje a través de cada elementp debe de sersiempre el mismo, y equivalente al potencial demembrana. Tomemos, arbitrariamente, un valorinicial del potencial de membrana de O mV y apli-quemos en í = O, medíante un generador decomente, un pulso escalonado de corriente deintensidad /m. ínicialmente el voltaje a través de laresistencia es equivalente al existente a través delcondensador, e igual a O mV. Dado que la corrien-te iónica que atraviesa la resistencia (los canalesiónicos pasivos) viene dada por la ley de Ohm(/, = V/K). Ínicialmente la corriente que Quye a tra-vés de la resistencia será cero, y toda la corrientefluirá a través de la capacitancia de la membrana(Ir. - 40- Debido al gran flujo inicial de la corrien-te a través del condensador, el potencial a travésdel mismo, y por tanto el potencial de membrana,se hará rápidamente positivo. A medida que el

de salida pÑ 7^

>O''- 0-1-' /-

Tiempc -

Figura 9-3 La tasa de cambio enel potencial de membrana es enlente-cida por la capacitancia de la mem-brana. La gráfica superior muestrala respuesta del potencial de mem-brana (AVO a impulso rectangularde corriente La morfología de la res-puesta real .línea c) combina laspropiedades de un elemento pura-mente resistente (línea a) con la deun elemente puramente condensador(línea b). El tiempo necesario paraalcanzar el 53 por ciento del voltajefinal define la constante de tiempo dela membrana, r. Las constantes detiempo de neuronas diferej^s oscilantípicamente entre 1 y 20 ras. Lagráfica inferior muestra la corrientetotal de menibrana (/„,) asi como suscomponentes iónicos (/,) y de capaci-tancia (/y. (L = / , +/c)

potencial de membrana se incrementa, la diferen-cia de potencial a ambos lados de la membranacomienza a impulsar la corriente a través del ele-mento de resistencia. Por tanto, tras el instante ini-cial, y a medida que el voltaje a través de la mem-brana se hace más positivo, más corriente fluye através de la resistencia, y cada vez menoscorriente lo hace a través del condensador. Elresultado es un ¿:i=:\iecLr:iien:o en ei iricrámenlodel potencial de membrana. Al final se llega a unextremo en el cual íoda la corriente Quye a travésde la resistencia (.; = y. Mediante la ley de Ohmpodemos calcular 2! voltaje en este momento, queviene dado por la expresión V = I~Yñ. En estepunto la corriente de capacitancia es cero, por loque, a partir de la Ecuación I, el potencial demembrana no caribiará más. Una vez que el

LACOMUT\'tCACIÓ.\INTR,V?ÍEURO^AL

Para contestar a eslas preguntas hay que consi-derar detalladamente las propiedades de loscanales iónicos que generan las corrientes iónicasactivas, que subyacen a dichos cambios delpotencial de membrana. Este va a ser el tema deestudio del capítulo siguiente. Pero antes deconocer cómo estas corrientes activas generancambios en el potencial1 de membrana, se debentener en cuenta las propiedades eléctricas pasi-vas de las neuronas, que son constantes y que novarían durante la comunicación eléctrica. Hay trespropiedades eléctricas pasivas: la resistencia dela membrana en reposo, la capacitancia de lamembrana, y la resistencia axial intracelular (a lolargo de la longitud del axón y de las dendritas).

Las propiedades eléctricas pasivas juegan unpapel crucial en la comunicación eléctrica, por,-que proporcionan el camino por el cual retornanal exterior o al interior celularios flujos de comen-te activos de entrada o de salida. Estas propieda-des determinan por tanto: (1) el curso temporal deun potencial sináptico generado poruña corrientesinápdca; (2) la posibilidad de que un potencialsináptico generado en una dendrita se conviertaen una despolarización sub o supraumbral en lazona de activación del cono de arranque axónico,y (3) la velocidad a la cual se conduce el potencialde acción tras su generación.

La resistencia de la membranainfluye sobre la magnitud de lasseñales eléctricas

Las diferencias existentes entre las propiedadespasivas y activas de las neuronas se analizaron enel Capítulo 8 al estudiar qué variaciones aparecí-an en el potencial de membrana cuando se admi-nistraban pulsos de corriente hiperpolarizantes odespolarizantes en el soma de una neurona(véase el Recuadro 8-1). Si se administran cargasnegativas a través del electrodo, la separación decargas eléctricas a través de la membrana seincrsmsnía y ^\_ CLZ msiiu3rcrici ss hacsaún más negativo, se hiperpolaríza. A medida quela corriente administrada es más negativa, elresultado es una hiperpolarización aún mayor. Enla mayoría de las neuronas existe una relaciónlineal entre la intensidad de esta corriente negati- ,va y la hiperpolarización estable que se obtiene(véase la Figura 9-1). La relación entre corriente y

voltaje define la resistencia, que en este caso sedenomina resistencia de entrada o aferente, RQ^.

La introducción de cargas positivas en la célulaproduce una despolarización. La neurona todavíase comporta como una resistencia simple, perosólo a lo largo de un intervalo de voltaje limitado.A medida que la comente positiva administradase hace más intensa, el potencial de membrana sehace más positivo, hasta que se alcanza un punto,el umbral, en el cual la neurona genera un poten-cial de acción. Por encima de este umbral la neu-rona ya no se comportará como una resistenciasimple, debido a las propiedades especiales delos canales iónicos activados por el voltaje. Sinembargo, la mayor parte del comportamiento deuna neurona en el intervalo de voltajes situado pordebajo del umbral puede explicarse utilizandocomo modelo un circuito compuesto por baterías,resistencias y condensadores.

La resistencia^ de la célula a la entrada decorriente determina la magnitud de la despolari-zación en respuesta a una corriente constante. Apartir de la ley de Ohm se puede deducir la mag-nitud de la despólarización, A V:

AK= IxR

De esta ecuación se desprende que si dos célu-las reciben las mismas corrientes sinápticas afe-rentes, la célula que tenga la mayor resistencia deentrada experimentará el mayor cambio en elpotencial de membrana. Para una neurona esféri-ca ideal, sin prolongaciones, la resistencia deentrada depende tanto de la densidad de loscanales iónicos pasivos existentes en la membra-na (es decir, el número de canales por unidad desuperficie de membrana), como del tamaño de laneurona. Cuanto más grande sea ésta, mayor serásu superficie de membrana, y menor la resisten-cia de entrada, ya que habrá más canales pasivosque conduzcan iones a su través. Para compararla resistencia de los distintos tamaños neuronales,ios electrofisiólogos utilizan frecuentemente laresistencia por unidad de área de membrana, quese denomina resistencia específica de la membra-na. /?„.. y que se mide en ohmios por centímetrocuadrado (fí. X cm'2). La resistencia específica dela membrana depende solamente de la densidady de la conductancia de los canales iónicos pasi-vos. Para obtener la resistencia de entrada total

1 Ir.pui ?„. en el or.g^ai ( N de! T }

9. Transmisión local de la señal eléctrica n ¿o

- - 2 - i l O ' A

*- Hiperpolarización Daspolarizactán-.

Figura 9-1 Relación entre la comente y el voltaje.Al aplicar a una célula pulsos de corriente subumbral,graduados y dirigidos tanto hacia el interior comohacia el exterior de la célula, se puede determinar larelación entre la corriente (/) y el voltaj,e.( V) en dichacélula. Los incrementos graduales en los pulsos decorriente dirigidos hacía el exterior o hacia el interiorcelular (R.{) producen aumentos proporcionales gra-duados y simétricos en el potencial de membrana(£2). Adviértase que el potencial varía más lentamen-te que los pulsos cuadrados de corriente aplicados.La granea I-Vresultante (B), que se obtienen al repre-sentar el voltaje estable obtenido en función de la

^ comente administrada, es lineal. La pendiente de la' recta /-Kde&ne la resistencia de entrada de la neuro-

na. En el ejemplo que aquí se muestra el potencial de' membrana cambia 10 mV por cada 1 nAde variaciónen la comente, lo que arroja un valor para la resisten-

• cia de 10 mV/lnA o 10 X 106 ohmnios (10 MH).

de una célula, se divide la resistencia específicade la membrana por la superficie de membranade la célula, ya que una membrana más extensaimplica la presencia de un número mayor decanales pasivos, y por tanto una menor resistencianeta. En el caso de una neurona esférica:

47ca2

en donde a es el radio de la neurona. Por tanto, enuna neurona esférica, la resistencia de entrada esinversamente proporcional al cuadrado del radio.En el caso más real de una neurona profusamenteramificada, con dendritas y axón, la resistencia deentrada también depende de la resistencia de la

membrana de las prolongaciones, así como de laresistencia del citoplasma intracelular que ocupael espacio entre ellas y el soma celular.

La capacitancia de la membranaprolonga la duración de las señaleseléctricas

Mientras que la magnitud de los cambios en elpotencial de membrana mostrados en la Figura9-1 recuerda.el comportamiento de una resisten--cia, su curso temporal no lo hace, ya que si bienuna resistencia responde rápidamente a un cam-bio brusco (escalonado) de la corriente con un

1(56 SBCCi f i j I I I I . U COMUNICACIÓN INTIUVNEURQKAL

Líquido exlracelular

Citoplasma

MBmbrana

Figura 9-4 Una prolongaciónneurona!, lanío un axón como unadendrita, puede dividirse en uni-dades de longitud, cada una de lascuales puede representarse en un

circuito eléctrico equivalente.Cada unidad de longitud de laprolongación es un circuito que

• tiene su propia resistencia (r^ j'capacitancia (cm) de membrana.Todos los circuitos están conecta-

dos por resistencias (/J querepresentan la resistencia axial delos segmentos del citoplasma, y uncortocircuito que representa allíquido extracelular.

pulso de comente finaliza, el total cíe la comentede membrana se hace cero, por lo que /, = -/c.Ésto origina que la carga del condensador se disi-pe al establecerse un flujo de comente en el cir-cuito a través de la resistencia, retomando elpotencial de membrana a su valor inicial de parti-da (cero).

La fase ascendente de la variación del potencialpuede describirse medíante la siguiente ecua-ción:

AVm(0 = lmR(l-e-^) (3)

en donde e es la base del sistema de logaritmosnaturales (y su valor equivalente es 2,72), y T es laconstante de tiempo de la membrana., el productode la resistencia de la membrana por su capaci-tancia (RC), La constante de tiempo puede medir-se experimentalmente (véase la Figura 9-3). Sevolverá a analizar la importancia de la constantede tiempo cuando se estudie la integración sinép-tica, en el Capítulo 13.

La resistencia de la membrana y laaxoplásmida influyen sobre laeficacia de conducción de la señal

Hasta aquí se han analizado los efectos de las pro-piedades pasivas de las neuronas en el procesode generación de señales eléctricas en el somacelular. Como el soma celular puede equipararsea una esfera sencilla, no se han tenido en cuentalos efectos de la distancia en cuanto a la propaga-ción de la señal. Sin embargo una señal de voltajeproducida en las dendritas o en el axón, y que noalcance el umbral, ve disminuida su amplitud amedida que aumenta la distancia respecto al lugaren el que se originó. Paura comprender cómo seproduce esta atenuación utilizaremos de nuevo uncircuito equivalente como modelo, en el que sedescribirá cómo la geometría de la neurona influ-ye sobre la distribución de los flujos de corriente.

Los potenciales sinápiicos que se originan en lasdendritas son conducidos a lo largo de las mismashacia el soma de la neurona y la zona de activa-ción. El citoplasma del interior de la dendrita ofre-ce una resistencia significativa al flujo longitudinalde corriente eléctrica debido a su pequeña sec-ción relativa, y a las colisiones que en su caminosufren los iones con otras moléculas. Cuantomayor sea la longitud del corazón citoplasmático

C f l p I t U l O 3, Tranamlslón local do la aoftal oléclrloa

de una prolongación, mayor será la resistencia,dado que los iones sufrirán un mayor número decolisiones si el trayecto que han de recorrer sealarga. Por el contrario, cuanto mayor sea el diá-metro del citoplasma de una prolongación, menorserá la resistencia que encontrarán los iones porunidad de longitud, debido al aumento de trans-portadores de carga presentes en cada punto.

Para representar cómo aumenta la resistenciacon la longitud del citoplasma dendritico, se puedemodelizajLa la dendrita como una serie de cilindrosde metrfflana idénticos, rellenos de citoplasma, ycada unode ellos con una resistencia y una capaci-tancia de membrana mensurables, asi como conuna resistencia axial al flujo de corriente a través desu contenido citoplasmático. El líquido extracelulartiene sólo una resistencia mínima, debido a su granvolumen, y por tanto puede no ser tenido en cuen-ta. El circuito equivalente para este modelo simpli-ficado se muestra en la Figura 9-4.

La resistencia axial (r¿) de una unidad de longi-tud (1 cm) de contenido citoplasmático se expre-sa en n/cm. La resistencia axial depende tanto dola resistividad específica del citoplasma, p, medi-da enHcm, y la superficie de la sección transver-sal de la dendrita de radio a:

PKa2

(4)

La resistencia de la membrana (rm) por unidad delongitud del cilindro se expresa en ílcm. La resis-tencia de la membrana depende tanto de la resis-tencia especifica de la unidad de superficie demembrana Rm, medida en O/crn2, como de la cir-cunferencia de la dendrita:

_JL.2rca

(S)

Figura 3-5 La corríanle aplica-da mediante un microelectrodo auna prolongación neurona! seguiráel camino de vuelta a! electrodosituado en el liquido exíraceiiúarque ofrezca la rnínima resistencia(£.). El grosor de cada üecha índi-

ca la intensidad relativa de lacorriente que atraviesa la mem-brana. Bajo estas condiciones, elcambio en Vm decae exponencial-menle cor. la distancia, a lo largode la longitud de la prolongación(B). La distancia a la cual A '/m ha

disminuido hasta el 37 por cientoce su valor inicia! (su valor en elpunió en el que se introduce lacorriente) define la constante deíor.crilud A..

Ifly S a c c í B n I I I . LA COMCTCACIÓ.X 9, Transmití6n local de la señal elccln.cn

Dirección de propagación

Figura 9-6 La conducciónpasiva de las cargas positivas(despolarizantes) a lo largo delaxón contribuye ala propagacióndel potencial de acción.

&. Morfología de la onda de unpotencial de acción que se pro-paga .de derecha a izquierda.

B. La diferencia de potencial a lolargo de la longilud del axón creaun circuito local de Qujo decorrienle, que origina que lacarga despolarizante se extiendapasivamente desde la regiónacliva (2) a la que eslá en reposodelante del frente de avance delpotencial de acción (1), así comoal área situada detrás de éste úili-mo (3). Debido a que también seproduce un aumento de g\- quesigue al potencial de acción(véase el Capítulo 10). la acumu-lación de cargas positivas a lolargo de la cara interna de lamembrana en el área 3 está com-pensada en exceso por la salidalocal de K", permitiendo que estazona de la membrana se recola-

Para una dendrita de diámetro uniforme, rm tieneel mismo valor para longitudes idénticas del cilin-dro de membrana.

Si se inyecta la corriente a una dendrita en unpunto determinado, ¿cómo variará el potencial demembrana con la distancia a lo largo de la misma?Para simplificar el cálculo consideremos la varia-ción del potencial de membrana con la distanciatras la administración de un pulso de comente deamplitud constante durante un tiempo í » T. Bajoestas condiciones el potencial de membrana habráalcanzado un valor estable, y la comente capaciti-va será cero. Guando Jc = O, toda la corriente queatraviesa la membrana es iónica, /m ='J¡. La varia-ción del potencial de membrana dependerá sola-mente de los valores relativos de rm y de ra.

La corriente que se inyecta fluye a todo lo largode la prolongación siguiendo varios caminos a tra-vés de los sucesivos cilindros (véase la Figura 9-5). Cada uno de esos caminos que sigue lacorriente se compone de dos elementos de resis-tencia conectados en serie: la resistencia axialtotal, rx, y la resistencia de la membrana, rm, delcilindro de membrana unidad. La resistencia axialtotal para cada flujo de salida de corriente es laresistencia citoplasmática entre el lugar de inyec-ción de la corriente y el de salida de la misma.Dado que las resistencias conectadas en serie sonaditivas rx = r,{x, en donde x es la distancia a lolargo de la dendrita desde el punió de inyecciónde la corriente. El componente de membrana, /•„.,tiene el mismo valor en cada punto de salida de lacorriente a todo lo largo de la dendrita

En los cilindros cercanos al sitio de entrada dela corriente hay un mayor flujo de salida queaquellos más alejados, porque la corriente siem-pre sigue el camino de menor resistencia, y laresistencia axial total rx aumenta con la distanda alpunto de inyección (véase la Figura 9-5). Dadoque A Vm (;<•) = /mrm. la variación en el potencial demembrana, &Vm (x), producida por la corrienteque atraviesa un cilindro de membrana se hacemenor 5 :r.~aieia q-.:e nos alejarnos del eíecirodsde corriente introducido en la dendrita. Estedecremenlo en la variación del potencial con ladistancia sigue una ley exponencial (véase laFigura 9-5):

Af/n5(;<)-A/0e-^ (6)

en donde X es la constante de longitud de la mem-brana , x es la distancia al sitio de entrada de'lacorriente, y VQ es el cambio en el potencial de

membrana producido por el ñujo de corriente enel punto de inseción de del electrodo (x = 0). La •constante de longitud es la distancia desde elpunto de inyección de la corriente al punto de ladendrita en el cual A V^ ha decaído aun valor equi-valente a I/e, o el 37 por ciento de su valor inicial _(véase la Figura 9-5), y viene determinada por:

Cuanto mejoirsife el aislamiento de la membrana •de la prolongaron (es decir, cuanto mayor searm) Y- cuanto mejor sean las propiedades con-ductoras del citoplasma que la rellena (cuantomás baja sea ra), mayor será la constante de lon-gitud de la dendrita. Es decir, la comente serácapaz de propagarse a distancias más grandes através del corazón interno de la dendrita antes deescaparse a través de la membrana. Como rmestá inversamente relacionada con el radio,mientras que ra es inversamente proporcional alcuadrado del radio, la constante de longitud esproporcional a la raíz cuadrada del radio. Portanto los axones de mayor diámetro tendrán una

_ constante de longitud mayor que los más finos.Los valores típicos de la constante de longitudoscilan de 0,1 a 1,0 mm.

La propagación pasiva de las variaciones en el'potencial de membrana a lo largo de la neuronase denomina conducción electrotónica. La eficacia'de este proceso, que se mide por la constante delongitud, tiene dos efectos importantes sobre la-función neuronal. En primer lugar influye sobre lasumación espacial, el proceso mediante el cual lospotenciales sinápticos generados en regionesdiferentes de la neurona se suman en la zona deactivación, el elemento de loma de decisiones dela neurona (véase el Capítulo 13). En segundolugar, la conducción electrotónica juega un papeldecisivo en la propagación del potencial deacción. Una vez que en un punto cualquiera delaxón la membrana se ha despolarizado por enci-ma del umbral, en dicha región se genera unpotencial de acción en respuesta a la apertura decanales de Na" activados por vokaje (véase e!Capitulo 10). Esta despolarización local se propa-ga electrotónicamente a lo largo del axón. origi-nando que las regiones adyacentes de la mem-brana se despolaricen hasta alcanzar el umbralpara generar un potencial de acción (véase laFigura 9-6).

La despolarización se propaga, pues, medianteel [lujo de corriente a través de los "circuitos loca-

les" resultantes de la diferencia de potencial quese establece entre las regiones activas y en repo-so de la membrana del axón. Una vez que la des-polarización de la región de la membrana queestá en reposo alcanza el umbral, los canales deNa* activables por voltaje se abren, dejandoentrar al interior de la célula a este ion a favor desu gradiente electroquímico, aumentando la des-polarización. Este aumento en la despolarizaciónorigina la apertura de más canales-fe Na*, por loque se favorece aun más la entrada de este ion, loque perpetúa el proceso. Por tanto, a medida queel potencial de membrana se acerca al umbral, ladespolarización transita desde un proceso pasivoa otro activo autoregenerante. Esta despolariza-ción generada activamente se propaga medianteflujos de corriente pasivos, que siguiendo circui-tos locales alcanzarán la siguiente región de lamembrana en donde el ciclo volverá a comenzarde nuevo.

Las propiedades pasivas de lamembrana y el diámetro del axóninfluyen en la velocidad depropagación del potencial deacciónr

La propagación pasiva de la despolarizacióndurante la conducción del potencial de acción noes instantánea. De hecho existe un factor limitanteen la propagación del potencial de acción. Estalimitación puede entenderse si se considera uncircuito equivalente compuesto por dos segmen-tos adyacentes de membrana conectados por otrode citoplasma axónico?i (véase la Figura 9-7).Como se describió anteriormente, un potencial deacción generado en un segmento de la membra-na proporciona una corriente despolarizante a lamembrana adyacente, originando su despolariza-ción gradual hacia el valor umbral. Siguiendo laley de Ohm, cuanto mayor sea la resistencia del-=.v-?p/_^.775. menor será el f:u;o de corriente circu-lante (/ = VIR). por lo crue llevará más tiempo elmodificar la carga de dicha región adyacente dela membrana. Como ál/= SQIC, el potencial demembrana variará lentamente si la corriente espoco intensa, ya que AQ se modificará con lenti-

1 rLXcplas.T.3 (íí dei T

. LA COMUNICACIÓN INTRANEURONAL

Cara extracelular Cara exracelular

_L

Figura 9-7 El circuito eléctri- axón, conectados por un segmen- membrana situado en la izquier-co equivalente de la izquierda (A) to de axoplasma. En la derecha da al situado en la derecha. Lasrepresenta dos segmentos adya- (B) un potencial de acción se líneas discontinuas indican losceníes de la membrana de un extiende desde el segmento de la trayectos del flujo de corriente.

tud. Del mismo modo cuanto mayor sea la capaci-tancia de la membrana, será necesario un mayordepósito de cargas eléctricas en la membranapara modificar el potencial a través de la misma.Por tanto, para producir una misma despolariza-ción será necesario un flujo de corriente más pro-longado. El tiempo necesario para propagar unadespolarización a lo largo de un axóh viene deter-minado tanto por la resistencia axial del axóncomo por su capacitancia por unidad de longitud(rn Y Cn0- La velocidad de propagación pasivavaría inversamente con el producto racm. Si esteproducto disminuye, la velocidad de propagaciónpasiva de una despolarización aumenta, y elpotencial de acción se propagará más rápida-mente,

la propagación rápida del potencial de acciónliene una importancia funcional. La evolución haproducido dos mecanismos que aumentan estavelocidad. Una de estas estrategias adaptativas esel incremento en el diámetro interno del axón.Como ra disminuye proporcionalmente al cuadra-do del diámetro del axón, el efecto neto de unincremento en el diámetro axónico es una dismi-nución en el producto racm. Este mecanismo adap-tativo ha sido llevado al extremo en el caso delELXón gigante del calamar, cuyo diámetro puedealcanzar vun valor de 1 mm. Sin embargo la evo-lución no ha dado lugar a axones más grandes,debido' posiblemente a la necesidad contrapuestad& mantener un soma celular pequeño que per-

mita el empaquetamiento de muchas células enespacios restringidos.

El segundo mecanismo evolutivo que permiteaumentar la velocidad de conducción, al reducirracm, es la mlelinizacíón. el recubrimiento del axónmedíante prolongaciones de la membrana de lascélulas gliales (véase el Capítulo 3). Este procesoequivale funcionalmente a un incremento de hasta100 veces en el grosor de la membrana del axón.Como la capacitancia de un condensador de lámi-nas paralelas, como la membrana celular, esinversamente proporcional al grosor del materialaislante interpuesto, la mielinización disminuye cm

y, por tanto, el producto racm Para cualquier incre-mento en el diámetro total del axón, la mieliniza-ción produce una disminución mucho más acusa-da en el producto racm que la obtenida medianteel incremento del diámetro interno del axón. Poresta razón la conducción en los axones mieliniza-dos es característicamente más rápida que en losamiellnicos de un diámetro similar.

En las neuronas con axones mielinizados elpotencial de acción se origina en la zona de acti-vación del cono de arranque axónico. La corrien-te de entrada que üuye a través de esta región dela membrana está disponible para poder descar-gar la capacitancia de la membrana del axón mie-linizado situada delante de ella. Aunque el grosorde la vaina de mielina disminuye el valor de lacapacitancia del axón, la cantidad de corrienteque fluye a través del axoplasma desde la zona de

. Transmisión local de la señal eléctrica

Nodo de Segmento inlernodai Mielina~ ;nvier

-1

s

0-2:2p}— OJ-Q

Distancia en el axón •

Segmento desmlelinizado

Figura 9-8 Los potenciales deacción en los axones mielinizadosse regeneran en los nodos deRanvier, interrupciones existentesen la vaina de mielina que apare-cen a ínter/idas regularas

X. Las densidades de corrienteiónica y capacitiva (corrientede membrana por unidad deárea de membrana) son muchomayores en los nodos de Ranvierque en las regiones intemodalesmielinízadas del axón. En esta

figura, la densidad de corriente demembrana en cualquier punto a lolargo del axón se representa porel número de lineas indicativas delüujo de corriente (flechas).

B, Debido a la mayor capacitanciaque presenta la membrana delaxón en los nodos no mielinizados.el potencial de acción se enlente-ce a medida que se aproxima acada nodo, por lo que parece sal-lar rápidamente de un nodo alsiguiente.

C. En las zonas del axón que hanperdido la mielina debido a unaenfermedad, la propagación del.polencial de acción se enlenleceincluso se bloquea. Las corrientesq--e aírar.ssar. los cirrjiíos localeshan de cargar la elevada capaci-tancia de la membrana y, debidoal bajo valor de rm , no progresa-rán con efectividad a lo largo delaxón.

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activación es insuficiente para descargar la capa-citancia en ¿oda la longitud del axón mielinizado.

Para prevenir la extinción del potencial deacción la vaina de mielina se interrumpe cada 1-2rnm, en los llamados nodos de Ranvier (véase laFigura 3-4). Los segmentos expuestos de la mem-brana membrana del axón presentes en los nodosson sólo de 2 um de longitud. Aunque el área totalque ocupan es pequeña, condene, sin embargo,un número suficiente de canales de Na* activablespor voltaje capaces de originar una intensacorriente despolarizante de entrada de Na"5" enrespuesta a la despolarización propagada pasiva-mente desde la cabecera del axón. Estos nodosde distribución regular aumentan la amplitud delpotencial de acción periódicamente, previniendo"su extinción. ^

El potencial de acción, que se propaga pasiva-' mente a gran velocidad entre los distintos nodos,se enlentece ai cruzar el área carente de mielinadel nodo, que tiene una elevada capacitancia. Acausa de ésto a medida que el potencial de acciónprogresa por el axón parece saltar de un nodo aotro (véase la Figura 9-8). Por esta razón se diceque el potencial de acción en un axón mielinizadose propaga mediante conducción saltatoria (dellatín saltare, saltar). Dado que el flujo de corrientese establece sólo en la región de los nodos, en lasfibras mielinizadas la conducción saltatoria estambién favorable desde el punto de vista meta-bólico.'ya que la bomba NaMC* necesitará unamenor cantidad de energía para restaurar los gra-dientes de ambos iones, que.tienden a disminuir acausa de la actividad despolarizante del potencialde acción.

Varías enfermedades del sistema nervioso,como la esclerosis múltiple o el síndrome deGuillain-Barré, producen desmlelinización de losaxones (véase el Capitulo 3). Debido a que la faltade mielina enlentece la conducción del potencialde acción, estas enfermedades tienen efectosdevastadores sobre la conducta. A medida que unpotencial de acción avanza desde una región mie-Unizada a c:ra que ha psrdido la mielina, seencuentra con una cm relativamente alta, y unadisminución de r^ Para que la comente de entra-da originada en el nodo precedente alcance elumbral del potencial de acción en dicho segmen-to amielínico, es necesario que la duración delflujo de corriente sea mayor. Además las comen-tes que Huyen por estos circuitos locales no alcan-zarán distancias tan lejanas como en el caso de un

axón mielinizado porque se propagan por un seg-mento axónico que tiene un valor bajo devéase larm, y por tanto una constante de longitud menor(váese la Figura 9-8). Estos dos factores se com-binan para enlentencer, y en muchos caso frenar,la conducción de los potenciales de acción.

Resumen

Dos procesos compiten en la determinación deldiseño funcional de una neurona. En primer lugar,y para optimizar la potencia computacional del sis-tema nervioso, las neuronas deben ser lo suficien-temente pequeñas como para que el mayor núme-ro de ellas ocupe el espacio disponible. Ensegundo lugar, para optimizar la capacidad delorganismo para responder a cambios que aconte-cen en el entorno ¿las neuronas deben de conducirlas señales rápidamente. En la consecución deambos objetivos la evolución se ha visto restringi-da por los materiales que constituyen una neurona.

Debido a que la membrana de una neurona esmuy fina, y está rodeada de un medio conductor,ésta posee una capacitancia elevada, y por tantoenlentece la conducción de las señales de voltaje.Además, las corrientes que cambian la carga déla capacitancia de la membrana deben fluir a tra-vés de un conductor relativamente malo (las finascolumnas de citoplasma que rellenan las prolon-gaciones). Los canales iónicos que dan lugar alpotencial de reposo también dificultan la funcióncomunicadora de la célula, ya que hacen que lamembrana tenga escapes, lo que añadido a laelevada capacitancia de la membrana limita ladistancia a la cual una señal puede viajar sin tenerque ser amplificada activamente.

Para compensar estas restricciones, la evolu-ción del sistema nervioso ha proporcionadovarios mecanismos: (1) la explotación de la cons-tante de tiempo de una neurona en la zona de acti-vación permite el promediar ios impulsos aferen-tes a la cálula en un intervalo de mílisegundos(fenómeno de surnación temporal, que se disciueen el Capítulo 13). (2) La zona de activación deuna neurona es compacta, por lo que los poten-ciales receptores o sinápticos se generan relativa-mente cerca de la zona de activación, optimizán-dose asi la surnación espacial (que también seanaliza en el Capítulo 13). (3) A medida que losimpulsos aferentes a una neurona (los potencialesreceptores o los sinápticos) se propagan electro-

C S p l I l l l O 9. Transmisión local de la scñnl eléctrica, 1tónicamente se atenúan, por lo que estas señaleshan de convertirse en un código de pulsos parapoder ser transmitidas a largas distancias. Loscanales activados por voltaje generan dichasseñales (los potena«des de acción "todo o nada"),que son conducid^sin atenuarse y rápidamente..(4) En aquellas vías en las que es especialmente <

importante la comunicación rápida, la velocidad'de conducción se incrementa mediante la nüelini-zación de los axones, el incremento en el diáme-tro de los axones, o mediante ambos mecaniapos 'a la vez.

Lecturas seleccionadas

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