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Aspectos Moleculares y Celulares de la Función Neuronal
Propiedades Eléctricas de las Neuronas
Marcela S. Nadal, Ph.D
Grupo de Física Estadística e Interdisciplinaria
Escuela "José A. Balseiro" 2009
Modelado en Neurociencias
Instituto Balseiro - Centro Atómico Bariloche
San Carlos de Bariloche, 5 al 30 de octubre de 2009
LARVA de ASCIDIA
CHIMPANCE
0.5 mm
100.000 millones de neuronas
100 neuronas
• Percepción e integración sensorial
• Movimiento con intención
• Balance, control motor
corteza cerebral
hipocampus
thalamus
amygdala
hypothalamus
ganglios basales
cerebelo
• Percepción e integración sensorial
• Atención, intención, predicción
• Movimiento, balance, postura
• Funciones autónomas, ritmo circadiano
• Razonamiento, aprendizaje y memoria
• Expresión, comunicación (lenguaje)
diversity of neurons in the neocortex
from Kawaguchi & Kubota 1997
Multicolor Labeling of Cortical Neurons with
Lipophilic Dye–Coated Particles
Gan et al., 2000
action potential
arquitectura del
circuito
input sensorial
cambios en el
potencial de membrana
output motor
cerebro de gato, adaptado de Ramon y Cajal, 1911
first neural code described: firing rate
After ED Adrian, 1926
information coding and transmission in the brain:
temporal pattern of action potentials
schematic depictions of different
neural coding schemes en response to two stimuli:
circuit properties
homosynaptic interactions
heterosynaptic interactions
Golisch, 2008, Kullman, 2007
inhibitory interneurons provide functional balance
and computational complexity
axons
dendrites
Huang, 2007
•
toda la neurona es un campo receptivo: además de sinapsis axodendríticas, hay sinapsis axo-somáticas, axo-axónicas, dendrosomáticas y dendro-dendríticas
•
los potenciales de acción también se propagan en forma
antidrómica (“backpropagation”)
•
no todas las neuronas tienen axón ni disparan potenciales de
acción, los potenciales sinápticos o de receptor también pueden
provocar la liberación gradual de neurotransmisor
•
las dendritas tienen propiedades activas que modulan la integración
sináptica e incluso les permite disparar potenciales de acción
•
hay mensajeros retrógrados que van desde la neurona postsináptica a la pre-sináptica (NO, CO2, lípidos, neuromoduladores)
¿cómo se generan los cambios en el
potencial de membrana?
el gradiente de iones a traves de la membrana es creado
por bombas con gasto de energía
2K+
extracellular (out)
145mM [Na+]o
Na-K ATPase
4mM [K+]o
membrane selectively permeable to Na+, K+
12mM [Na+]I
155mM [K+]i
ADP + Pi 3Na+
ATP
intracellular (in)
valores de [ion] para membrana de músculo esquéletico
equilibrium potential
Nernst equation
Adapted from HIlle, 2001
membrane resting potential
EM= -90mV
en el equilibrio, la membrana es más permeable a potasio (y cloro)
the Goldman-Hodgkin-Katz voltage equation for K+, Na+ and Clcalculates the membrane equilibrium potential
•
•
en el equilibrio, el movimiento neto de iones = 0
Em depende de la permeabilidad de la membrana a cada ion
conductancias responsables por el disparo del potencial
de acción en el axón gigante de calamar
Hodgkin and Huxley, 1952
voltage-clamp: K+ and Na+ currents
current-voltage relations
IK delayed rectifier
INa transient
Cole & Curtis, 1939, Hodgkin & Huxley, 1952, Cole & Moore, 1960, Huguenard and McCormick
Na+ and K+ conductances are voltage- and time-dependent
AP firing: voltage and time-dependent changes in gNa y gK
time course of changes in gNa and gK
transient
Na+ conductance:
fast activation
slower inactivation
delayed rectifier
K+ conductance:
slow activation (x10)
no inactivation (10ms)
four different types of voltage-gating
time course of HH model parameters
voltage-dependence of HH model parameters
the HH model predicts action potentials
fast spiking in Kv3.1-Kv3.2 double KO mice
DKO
2 ms
WT
estructura de un canal de potasio Kv
McKinnon 2007, Bezanilla 2008
McKinnon 2007
la corriente de potasio tipo “A”
Connor and Stevens, 1971
role of A-type K+ currents in the interspike interval and
firing frequency
EI
membrane potential trajectory
theory
20
0
100ms
-20
EL
-40
EK
EA
underlying ionic currents
1.0
IA (nA)
0.5
IK
IA
IA
0
-0.5
-1.0
II
II
From Connor and Stevens, 1971; Hille, 1992
A-type K+ currents regulate the firing frequency in
dopaminergic neurons
Liss et al., 2001
firing patterns in the neocortex
regular-spiking fast-rhythmic bursting
regular-spiking
fast-spiking
fast-rhythmic bursting
intrinsically bursting
fast-spiking
Steriade, 2004
CANALOMA
de los canales
sensibles a voltaje
y estruturalmente
relacionados
- canales de cloro / - receptores ionotrópicos
Yu and Catterall 2004
diversity in the subcellular distribution of HCN1
Nusser, 2009
subcellular organization of inputs and ion channels
in pyramidal neurons
in the neocortex
Huang, 2007