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LA NEURONA COMO
SISTEMA DE
PROCESAMIENTO DE
INFORMACIÓN
03 DE FEBRERO DEL 2017
Bases Biológicas de la conducta
Susana Uranga
LA NEURONA COMO SISTEMA DE PROCESAMIENTO DE
INFORMACIÓN
3.1. LA MEMBRANA, COMPUERTA DEL PROCESAMIENTO DE
INFORMACIÓN EN LA NEURONA.
Una importante compuerta molecular llamada GIRK2 funciona en las membranas
de las neuronas. Esas compuertas controlan el paso de iones de potasio (K+) al
exterior de la célula, un proceso que cambia la carga eléctrica entre el interior y el
exterior, lo que permite la conducción de señales eléctricas. Su descripción, «el
canal iónico se torsiona para abrirse», compara el movimiento de torsión de los
componentes con el diafragma de una cámara fotográfica»: «Los cambios de
conformación que abren la compuerta helicoidal interior son comparables con la
apertura del diafragma de una lente al girar manualmente el anillo de apertura».
Los cambios de conformación que abren la compuerta helicoidal interior son
comparables con la apertura del diafragma de una lente al girar manualmente el
anillo de apertura.
El canal cilíndrico que permite el paso de iones de K+ está rodeado por cuatro
complejas proteínas que se acoplan en la membrana celular. La activación de
esas «manos» por los receptores acoplados de proteína G los hace girar el canal,
abriéndolo un poco más, pero no lo suficientemente, para permitir el paso de los
iones. A partir de esto, unas perturbaciones aleatorias pueden permitir que los
iones «irrumpan» a través de la estrecha apertura, según se observa en las
células vivas. El canal contiene también un «filtro de selectividad» para asegurar
que sólo pasan iones K+.
Los canales iónicos son las principales unidades responsables de la actividad
eléctrica en nuestro cuerpo. Constituyen una gran familia de unas 400 proteínas
en los humanos. Una subfamilia de esas proteínas consiste de cuatro canales
GIRK, que se especializan en la conversión de señales químicas —mayormente
las de las moléculas neurotransmisoras como la acetilcolina, la dopamina, la
serotonina y la adrenalina— en señales eléctricas en células cardíacas y
neuronas. Son por ello esenciales para controlar el ritmo cardíaco y la actividad de
los circuitos neurales.
3.2. PROPIEDADES ELÉCTRICAS DE LA NEURONA.
La membrana celular es permeable a algunos gases y algunas pequeñas
moléculas polares no cargadas, es ligeramente permeable al agua y
esencialmente impermeable a la mayoría de moléculas solubles enagua. Por
tanto, se requiere la presencia de ciertas proteínas para transportar moléculas
polares e iones a través de las membranas celulares. Dichas proteínas permiten a
estas moléculas cruzar la membrana sin interaccionar directamente con su interior
hidrofóbico.
PROPIEDADES ELECTRICAS DE UNA CELULA
Tipos fundamentales de proteínas transportadoras demembrana1.- Bombas de
ATP2.- Transportadores3.- Canales iónicos. Estos últimos transportan agua y tipos
específicos de iones a favor de su gradiente de concentración. Forman un paso de
proteína a través de la membrana por el cual se pueden mover simultáneamente
un múltiple número de moléculas a gran velocidad. Estos canales juegan un papel
fundamental en el funcionamiento de células nerviosas y en la transmisión de
impulsos nerviosos.
3.3. SEÑALES ELÉCTRICAS DE LA NEURONA.
Las células nerviosas producen señales eléctricas que transmiten información. Si
bien las neuronas no son intrínsecamente buenos conductores de la electricidad,
han desarrollado mecanismos elaborados para generar señales eléctricas
basadas sobre el flujo de iones a través de sus membranas plasmáticas. Por lo
habitual, las neuronas originan un potencial negativo, denominado potencial de
membrana de reposo, que puede ser medido con un registro intracelular. El
potencial de acción produce una abolición del potencial de reposo negativo y torna
al potencial transmembrana transitoriamente positivo. Los potenciales de acción
se propagan a lo largo de los axones y constituyen la señal eléctrica fundamental
de reposo como del potencial de acción puede ser comprendida en términos de la
permeabilidad selectiva de la célula nerviosa a diferentes iones y la distribución
normal de estos iones a través de la membrana celular.
POTENCIALES ELECTRICAS A TRAVES DE LAS MEMBRANAS DE LAS
CELULAS NERVIOSAS.
Dado que las señales eléctricas constituyen la base de la transferencia de
información en el sistema nervioso, es esencial conocer como surgen estas
señales. El empleo de señales eléctricas-como cuando se envía electricidad en
cables para proporcionar potencia o información- presenta un problema
fundamental para las neuronas: los axones neuronales, que pueden ser muy
largos (recuérdese que una neurona motora espinal puede extenderse por un
metro o mas), no son buenos conductores eléctricos. Si bien tanto las neuronas
como los cables son capaces de conducir pasivamente la electricidad, las
propiedades eléctricas de las neuronas se comparan pobremente aun con el cable
mas ordinario. Para compensar esta deficiencia, las neuronas han desarrollado un
sistema de refuerzo que les permite conducir señales eléctricas en grandes
distancias a pesar de sus características eléctricas intrínsecamente malas. Las
señales eléctricas producidas por este sistema de refuerzo se denominan
POTENCIALES DE ACCION, aunque se las conoce también como espigas o
impulsos.
La mejor manera de observar un potencial de acción es utilizando un
microelectrodo intracelular para registrar directamente el potencial eléctrico a
través de la membrana plasmática neuronal. Un microelectrodo típico es un trozo
de tubo de vidrio traccionado hasta un punto muy fino (con un orificio de un
diámetro inferior a 1 um) u lleno con un buen conductor eléctrico, como por
ejemplo, una solución concentrada en sal. Este centro conductor puede se
conectado entonces a un voltímetro, puede ser un osciloscopio, para registrar el
potencial transmembrana de la célula nerviosa. Cuando se inserta un
microelectrodo a través de la membrana de la neurona, registra un potencial
negativo, lo que implica que la célula tiene un medio de generar un voltaje
constante a través de su membrana cuando esta en reposo. Este voltaje, llamado
POTENCIAL DE MEMBRANA DE REPOSO, depende del tipo de neurona que se
examine, peo siempre es una fracción de un voltio (en los casos típicos, -40 a 90mV).
N los potenciales de acción representan cambios transitorios en el potencial de
membrana de reposo de las neuronas. Un modo de obtener un potencial de acción
es pasar una corriente eléctrica a través de la membrana de la neurona. En
circunstancias normales esta corriente seria generada por otra neurona, la
sinapsis entre dos células nerviosas, o por la transducción de un estimulo externo
en las neuronas sensitivas. Sin embargo, en el laboratorio es fácil producir una
corriente eléctrica apropiada al insertar un segundo microelectrodo en la neurona y
conectar luego el electrodo a una batería. Si la corriente así entregada es tal como
para tornar más negativo el potencial de membrana (HIPERPOLARIZACION), no
sucede nada espectacular. El potencial de membrana simplemente cambia en
proporción a la magnitud de la corriente inyectada. Estas respuestas de
hiperpolarizacion no necesitan ninguna propiedad singular de las neuronas y, por
lo tanto, se denominan respuestas eléctricas pasivas. Se observa un fenómeno
mucho mas interesante si se entrega la corriente de polaridad opuesta, de modo
que el potencial de membrana de la célula nerviosa se torna mas positivo que el
potencial de reposo (DESPOLARIZACION). En este caso, en cierto nivel del
potencial de membrana, denominado POTENCIAL UMBRAL, se desarrolla un
potencial de acción.
El potencial de membrana, que es una respuesta activa generada por la neurona,
aparece sobre un osciloscopio como un cambio breve (de alrededor de 1 ms) del
negativo al positivo en el potencial de membrana de la neurona. Es importante
destacar que la amplitud del potencial de acción independiente de la magnitud de
la corriente utilizada para evocarlo; o sea, las corrientes mas grandes no producen
potenciales de acción mas grandes. Por lo tanto, se dice que los potenciales de
acción de una neurona dada son todo o nada, pues se desarrollan por completo o
no se desarrollan. Si se aumenta lo suficiente la amplitud o la duración de la
corriente de estimulo, se desarrollan múltiples potenciales de acción. En
consecuencia, la intensidad de un estimulo esta codificada en la frecuencia de los
potenciales de acción y no en su amplitud.
3.4. MANIFESTACIONES CONDUCTUALES NORMALES Y ALTERADAS
RELACIONADAS CON LA CONDUCCIÓN NEURONAL.
CONDUCCION NEURONAL
Se sabe que hay un problema neurológico y en un 80% de los casos se atribuye a
un factor hereditario, y también se han considerado la desnutrición, daño cerebral,
anomalías intrauterinas, exposición prenatal a drogas como cocaína, alcohol, y la
falta de oxigeno en el desarrollo fetal o durante el parto.
DEFICIT DE ATENCIÓN
PARALISIS
ESCLEROSIS MULTIPLE
Las epilepsias se pueden presentar debido a una anomalía en el cableado del
cerebro, un desequilibrio de las sustancias químicas que transmiten las señales
nerviosas (en el que algunas células excitan o inhiben de sobre manera a otras
células del cerebro que son las que envían los mensajes) o alguna combinación
de estos factores.
EPILEPSIA
El daño al nervio es causado por inflamación. La inflamación ocurre cuando las
células inmunitarias del propio cuerpo atacan el sistema nervioso. Esto puede
ocurrir a lo largo de cualquier zona del cerebro, el nervio óptico o la médula
espinal.
Neuronas motoras o eferentes, encargadas de conducir los impulsos nerviosos al
exterior del sistema nerviosos central hacia efectores tales como los músculos o
las glándulas produciendo asi una respuesta.
La EM es causada por el daño a la vaina de mielina. Esta vaina es la cubierta
protectora que rodea las neuronas. Cuando esta cubierta de los nervios se daña,
los impulsos nerviosos disminuyen o se detienen.
ALZHEIMER
Es una enfermedad neurodegenerativa que se manifiesta como deterioro cognitivo
y trastornos conductuales. Se caracteriza por una pérdida de la memoria
inmediata y de otras capacidades mentales. (tales como las capacidades
cognitivas superiores) a medida que mueren las células nerviosas (neuronas) y se
atrofian diferentes zonas del cerebro.
Es una enfermedad neurodegenerativa que se manifiesta como deterioro cognitivo
y trastornos conductuales. Se caracteriza en su forma típica por una pérdida de la
memoria inmediata a medida que mueren las células nerviosas (neuronas) y se
atrofian diferentes zonas del cerebro.
3.5. ACTIVIDAD NEURONAL EN EL NIVEL MOLECULAR Y CELULAR.
El SNC (sistema nervioso central) está conformado por una gran cantidad de
células nerviosas individuales (100mil millones aprox.) llamadas neuronas.
De estas pocas son neuronas sensoriales primarias, que son el primer vínculo en
la cadena aferente de los receptores sensoriales y el cerebro. Más aún existen
solo 3 millones de neuronas motoras las cuales dejan la medula espinal para
activar de manera directa al musculo esquelético. Se ha estimado que 99.98% de
las neuronas en el SNC de los mamíferos son interneuronas es decir son
neuronas que no reciben la información directa del ambiente o provocan de
manera directa la contracción muscular, ósea que tienen la función menos directa
pero proporcionan la base para el proceso de modulación que hace posible el
comportamiento complejo.
Como todas las demás células del cuerpo, la neurona consiste de citoplasma
rodeado por una membrana celular. En la neurona, la membrana está compuesta
por una doble capa de moléculas de lípidos (bicapa de lípidos) con proteínas
incrustadas que atraviesan la membrana (figura 2.4). La biofísica de la bicapa de
lípidos de la membrana la hacen altamente impermeable al fluido dentro de la
célula (fluido intracelular o citoplasma), el fluido exterior a la célula (fluido
extracelular) y a los iones (átomos o moléculas cargados) disueltos en estos
fluidos. No obstante, bajo ciertas condiciones, los iones son capaces de atravesar
la membrana celular. Esto se logra por las proteínas que atraviesan la membrana
y forman canales que regulan la permeabilidad o conductancia de la membrana
para iones específicos. Algunos de estos canales proteicos para los iones,
denominados canales de reposo, se abren durante el estado de reposo de la
neurona y permiten el flujo pasivo de iones particulares a través de la membrana.
Como regla general, los canales proteicos alteran la conductancia de la membrana
para un ion particular al cambiar su estado de conformación (es decir, su
configuración espacial), un proceso llamado activación de compuerta. La
activación de compuerta de ciertos canales ocurre en respuesta al enlace de un
neurotransmisor específico a receptores posinápticos (canales activados por
transmisor o canales activados por ligando). La activación de compuerta de otros
canales responde a cambios en el voltaje (canales activados por voltaje); en
consecuencia, los canales difieren tanto con respecto a los factores que controlan
su apertura como con el ion particular al cual son selectivos. Como veremos, son
estas propiedades de los canales iónicos de la membrana los que subyacen en la
complejidad de los eventos neuronales. Otro tipo de transmisión menos común
también ocurre a través de la sinapsis. Los canales de puentes de baja resistencia
—también llamada sinapsis eléctrica— utilizan conexiones estructurales entre dos
neuronas para crear flujos de corriente directa entre ellos, en lugar de usar
cambios.
3.6. MECANISMOS NEURONALES DEL APRENDIZAJE.
Habituación y sensibilización en la Aplysia: ejemplos de modulación presináptica
de la actividad neuronal La relativa simplicidad del sistema nervioso del caracol
marino Aplysia californica lo hacen un modelo útil para comprender mecanismos
neuronales. Lo que sabemos acerca de las bases neuronales de algunos procesos
de aprendizaje simples de la Aplysia ilustran muchos de los mecanismos
analizados en las secciones previas de este capítulo. Revisaremos brevemente
algunos de estos mecanismos.
HABITUACIÓN En la habituación, la forma más simple de aprendizaje, un
organismo aprende a disminuir o suprimir por completo una respuesta a un
estímulo neutral recurrente, es decir, un estímulo que no es reforzante ni dañino.
Por ejemplo, si el sifón de la Aplysia es ligeramente activado con un estímulo
novedoso, el animal retirará con energía su branquia. A esto se le llama reflejo de
retracción de branquia. Después de la estimulación repetida del sifón, se reducirá
o incluso será eliminada esta respuesta de retracción. Ésta es la habituación del
reflejo de retracción de branquia. La habituación tiene dos formas: de corto y de
largo plazos. Por ejemplo, en respuesta a aproximadamente 10 estimulaciones del
sifón, la reducción en la retracción de las branquias puede durar cerca de 10
minutos. Ésta es la habituación a corto plazo. Un gran número de estimulaciones
por un periodo más prolongado resultarán en habituación a largo plazo, que puede
perdurar durante días o semanas. Kandel y sus colaboradores (Castelluci, Carew
y Kandel, 1978; Hawkins, Kandel y Siegelbaum, 1993) han descrito el circuito del
reflejo de retracción de branquia de la Aplysia. Las neuronas sensoriales reciben
entradas desde el sifón formando conexiones monosinápticas con las neuronas
motoras que activan la branquia. Además, las neuronas sensoriales del sifón
envían entradas a las interneuronas inhibitorias y excitatorias, las cuales, a su vez,
inervan las neuronas motoras de la branquia. Los estudios de Kandel y sus
colaboradores han revelado componentes del mecanismo de habituación a corto
plazo en este circuito. Ellos han demostrado que este efecto involucra la
modificación de la actividad en las terminales del axón de las neuronas
sensoriales y por las interneuronas excitatorias que inervan las neuronas motoras.
De modo más específico, durante la habituación existe una disminución en la
liberación de glutamato, el neurotransmisor liberado por las terminales de las
neuronas sensoriales y por las interneuronas que normalmente activan las
neuronas motoras, provocando la retracción de la branquia.
Esta disminución en la liberación de glutamato se debe, en parte, a la
desactivación de los canales de Ca2+ en la membrana presináptica. Recuerde
que la magnitud del influjo de Ca2+ en la terminal del axón influye en la cantidad
de neurotransmisor liberado en respuesta a un potencial de acción. La habituación
también está asociada a una disminución en la capacidad de las vesículas
transmisoras para moverse a zonas activas de la membrana presináptica para
estar disponibles para liberar sus contenidos en la sinapsis.
Aunque no se sabe cómo la estimulación repetida provoca estos cambios
presinápticos, es claro que son componentes del mecanismo de habituación a
corto plazo.
A largo plazo involucra la activación de genes que provocan cambios estructurales
en estas conexiones. Los estudios de microscopia electrónica, que compara
animales habituados y no habituados, han revelado que después de la habituación
a largo plazo el número promedio de contactos sinápticos que las ramificaciones
de las terminales sinápticas de las neuronas sensoriales establecen con las
neuronas motoras se reduce hasta en un tercio. Además, la proporción de las
terminales del axón sensorial con zonas activas (regiones en las cuales se pueden
liberar neurotransmisores) se reduce de manera significativa.
A pesar de que nuestra comprensión acerca del mecanismo de habituación de la
Aplysia no es completo, lo que sabemos es iluminador. De particular interés son
las dos implicaciones de este mecanismo.
Primero, demuestran que incluso en ésta, la más simple de todas las formas de
aprendizaje, están involucrados diferentes tipos de neuronas: neuronas
sensoriales e interneuronas excitatorias. Por tanto, aun en la habituación de un
reflejo simple, los cambios en la fuerza funcional de los contactos sinápticos no
están restringidos a un sitio en la neurona, sino que están distribuidos en varios
sitios. Veremos en capítulos siguientes que la idea de la representación distribuida
es ampliamente empleada en teorías de los mecanismos neuronales de
funcionamiento cognitivo complejo, como el reconocimiento visual y el
procesamiento espacial, funciones para las cuales el mecanismo neuronal aún es
muy especulativo. Sin embargo, es sorprendente encontrar que también se aplica
a aquellos mecanismos neuronales relativamente simples de los cuales tenemos
una comprensión razonablemente buena. Un segundo aspecto importante de este
mecanismo es que no depende de neuronas que están especializadas para el
aprendizaje. En lugar de ello, los cambios neuronales subyacentes a la
habituación del reflejo de retracción de la branquia de la Aplysia involucran
cambios en las neuronas que son componentes del reflejo mismo.
SENSIBILIZACIÓN En la habituación, la estimulación repetida de las neuronas
sensoriales puede conducir a la inhibición de eventos en sus terminales sinápticas
que de manera normal originarían la activación de neuronas motoras con las
cuales forma la sinapsis. En la sensibilización, la magnitud de una respuesta a un
estímulo neutral aumenta cuando es precedido por un estímulo nociceptivo
(doloroso). Por ejemplo, si a la cola de la Aplysia se le aplica un fuerte choque
eléctrico, la estimulación subsecuente del sifón provocará un reflejo de retracción
de branquia más vigoroso. El circuito involucrado en este proceso se muestra en
la figura 2.15. Kandel y sus colaboradores han demostrado que el mecanismo de
sensibilización del reflejo de retracción de branquia de la Aplysia involucra la
facilitación presináptica de las neuronas sensoriales. Ellos encontraron que el
choque eléctrico a la cola estimula interneuronas, que son llamadas interneuronas
facilitadoras, las cuales establecen sinapsis sobre las terminales del axón de las
neuronas sensoriales que reciben entradas desde el sifón y que, a su vez, forman
sinapsis a) sobre las neuronas motoras que activan la retirada de la branquia y b)
sobre otras interneuronas que forman sinapsis sobre estas neuronas motoras
(véase figura 2.15). Como vimos previamente, estas conexiones axoaxonales
permiten que una neurona modifique la actividad de una segunda neurona al influir
sobre los eventos en la terminal del axón de la segunda neurona. En este caso, en
respuesta al choque eléctrico en la cola, las interneuronas facilitadoras liberan
serotonina. Ésta se une con [los receptores (NI)] de la terminal del axón de la
neurona sensorial y pone en marcha una cascada bioquímica que, a final de
cuentas, provoca un incremento en el influjo de Ca2+ dentro de la terminal del
axón y causa un aumento en la cantidad del neurotransmisor liberado. Como con
la habituación, la sensibilización puede ser de corto o largo plazo, dependiendo del
número y la magnitud de estimulación nociceptiva previa. También, como con la
habituación a largo plazo, la sensibilización a largo plazo involucra cambios
estructurales mediante la activación de genes. Estos cambios son paralelos a los
vistos en la habituación a largo plazo, pero están en la dirección opuesta. Los
cambios incluyen un aumento en el número promedio de conexiones sinápticas
que forma cada neurona sensorial con las neuronas motoras y un crecimiento
correspondiente de las dendritas de las neuronas motoras para acomodar este
incremento de los contactos. Además existe un aumento en la proporción de las
terminales del axón de la neurona sensorial con zonas activas. Estos cambios
estructurales no se ven después de sensibilización a corto plazo.