Conducción nerviosa-Electrocardiogramas / Física

Las corrientes eléctricas en el sistema enormemente complejo de miles de millones de nervios en nuestro cuerpo nos permiten sentir el mundo, controlar partes de nuestro cuerpo y pensar. Estos son representativos de las tres funciones principales de los nervios. En primer lugar, los nervios transportan mensajes desde nuestros órganos sensoriales y otros al sistema nervioso central, que consiste en el cerebro y la médula espinal. En segundo lugar, los nervios transportan mensajes desde el sistema nervioso central a los músculos y otros órganos. En tercer lugar, los nervios transmiten y procesan señales dentro del sistema nervioso central. El gran número de células nerviosas y el increíblemente mayor número de conexiones entre ellas hacen de este sistema la sutil maravilla que es. Conducción nerviosa es un término general para las señales eléctricas transportadas por las células nerviosas. Es un aspecto de la bioelectricidad, o efectos eléctricos en y creados por los sistemas biológicos. Las células nerviosas, llamadas neuronas propiamente dichas, tienen un aspecto diferente al de otras células: tienen zarcillos, algunos de ellos de muchos centímetros de largo, que los conectan con otras células. (Véase la Figura 1.) Las señales llegan al cuerpo celular a través de sinapsis o a través de dendritas, estimulando a la neurona a generar su propia señal, enviada a lo largo de su largo axón a otras células nerviosas o musculares. Las señales pueden llegar de muchos otros lugares y transmitirse a otros, condicionando las sinapsis por el uso, dando al sistema su complejidad y su capacidad de aprender.

La figura describe una neurona. La neurona tiene un cuerpo celular con un núcleo en el centro representado por un círculo. El cuerpo celular está rodeado por muchas proyecciones delgadas y ramificadas llamadas dendritas, representadas por estructuras en forma de cinta. Los extremos de algunas de estas dendritas se muestran conectados a los extremos de las dendritas de otra neurona en las uniones llamadas sinapsis. El cuerpo celular de la neurona también tiene una proyección larga llamada axón, representada como un tubo vertical que llega hacia abajo y termina con proyecciones delgadas dentro de una fibra muscular, representada por una estructura tubular. Los extremos del axón se llaman terminaciones nerviosas. El axón está cubierto con vainas de mielina, cada una de las cuales tiene un milímetro de longitud. Las vainas de mielina están separadas por huecos, llamados nodos de Ranvier, cada uno de longitud punto cero cero cero un milímetro.

Figura 1. Una neurona con sus dendritas y axón largo. Las señales en forma de corrientes eléctricas llegan al cuerpo celular a través de dendritas y sinapsis, estimulando a la neurona para que genere su propia señal enviada por el axón. El número de interconexiones puede ser mucho mayor de lo que se muestra aquí.

El método por el cual se generan y transmiten estas corrientes eléctricas es más complejo que el simple movimiento de cargas libres en un conductor, pero se puede entender con principios ya discutidos en este texto. Los más importantes de ellos son la fuerza de Coulomb y la difusión. La Figura 2 ilustra cómo se crea un voltaje (diferencia de potencial) a través de la membrana celular de una neurona en su estado de reposo. Esta membrana delgada separa fluidos eléctricamente neutros que tienen diferentes concentraciones de iones, las variedades más importantes son Na+, K + y Cl – (estos son iones de sodio, potasio y cloro con cargas simples más o menos, como se indica). Como se discute en Fenómenos de Transporte Molecular: Difusión, Ósmosis y Procesos Relacionados, los iones libres se difundirán de una región de alta concentración a una de baja concentración. Pero la membrana celular es semipermeable, lo que significa que algunos iones pueden cruzarla mientras que otros no. En su estado de reposo, la membrana celular es permeable a K+ y Cl -, e impermeable a Na+. Difusión de K+ y Cl: crea así las capas de carga positiva y negativa en el exterior y el interior de la membrana. La fuerza de Coulomb evita que los iones se difundan en su totalidad. Una vez que la capa de carga se ha acumulado, la repulsión de cargas similares impide que más se mueva, y la atracción de cargas diferentes evita que más abandonen ambos lados. El resultado son dos capas de carga directamente en la membrana, con la difusión equilibrada por la fuerza de Coulomb. Una pequeña fracción de las cargas se mueven y los fluidos permanecen neutros (otros iones están presentes), mientras que se ha creado una separación de carga y voltaje a través de la membrana.

Se muestra la membrana semipermeable de una célula, con diferentes concentraciones de cationes de potasio, cationes de sodio y aniones de cloruro dentro y fuera de la célula. Los iones están representados por pequeños círculos de colores. En su estado de reposo, la membrana celular es permeable a los iones de potasio y cloruro, pero es impermeable a los iones de sodio. Por difusión, los cationes de potasio salen de la célula, pasan a través de la membrana celular y forman una capa de carga positiva en la superficie exterior de la membrana. Por difusión, los aniones de cloruro entran en la célula, pasan a través de la membrana celular y forman una capa de carga negativa en la superficie interna de la membrana. Como resultado, se establece un voltaje a través de la membrana celular. La fuerza de Coulomb evita que todos los iones atraviesen la membrana.

Figura 2. La membrana semipermeable de una célula tiene diferentes concentraciones de iones por dentro y por fuera. La difusión mueve los iones K+ y Cl-en la dirección mostrada, hasta que la fuerza de Coulomb detiene la transferencia. Esto da como resultado una capa de carga positiva en el exterior, una capa de carga negativa en el interior y, por lo tanto, un voltaje a través de la membrana celular. La membrana es normalmente impermeable al Na+.

Esta es una representación gráfica de un pulso de voltaje o potencial de acción, en el interior de una célula nerviosa. El voltaje en milivoltios se traza a lo largo del eje vertical y el tiempo en milisegundos se traza a lo largo del eje horizontal. Inicialmente, entre cero y alrededor de dos puntos y ocho milisegundos, el voltaje es una constante a aproximadamente menos noventa milivoltios, correspondiente al estado de reposo. Por encima de esta sección del gráfico, una ventana muestra una pequeña sección transversal de la membrana celular, con una superficie externa con carga positiva, una superficie interna con carga negativa y sin iones moviéndose a través de la membrana. Entre dos puntos ocho y cuatro puntos dos milisegundos, el voltaje aumenta hasta un pico de cincuenta milivoltios, correspondiente a la despolarización de la membrana. Una ventana por encima de esta sección muestra cationes de sodio que cruzan la membrana, desde el exterior hacia el interior de la célula, de modo que la superficie interna de la membrana adquiere una carga positiva y su superficie externa tiene una carga negativa. Entre unos cuatro puntos dos y unos cinco puntos cinco milisegundos, el voltaje cae a un mínimo de aproximadamente menos ciento diez milivoltios, correspondiente a la repolarización de la membrana. Una ventana por encima de esta sección muestra cationes de potasio que cruzan la membrana, desde el interior hacia el exterior de la célula, de modo que la superficie exterior de la membrana vuelve a adquirir una carga positiva y su superficie interior tiene una carga negativa. Después de eso, el voltaje aumenta ligeramente, volviendo a una constante de aproximadamente-noventa milivoltios, correspondiente al estado de reposo. Este movimiento de iones de sodio y potasio a través de la membrana se denomina transporte activo, y el transporte activo a largo plazo se muestra en una ventana por encima de la parte final de la curva.

Figura 3. Un potencial de acción es el pulso de voltaje dentro de una célula nerviosa que se representa aquí. Es causada por movimientos de iones a través de la membrana celular como se muestra. La despolarización ocurre cuando un estímulo hace que la membrana sea permeable a los iones Na+. La repolarización sigue a medida que la membrana vuelve a ser impermeable a Na+, y K+ se mueve de alta a baja concentración. A largo plazo, el transporte activo mantiene lentamente las diferencias de concentración, pero la célula puede disparar cientos de veces en rápida sucesión sin agotarlas seriamente.

La separación de carga crea una diferencia de potencial de 70 a 90 mV a través de la membrana celular. Si bien este es un voltaje pequeño, el campo eléctrico resultante (E = V/d) a través de la única membrana de 8 nm de espesor es inmenso (¡del orden de 11 MV/m!) y tiene efectos fundamentales en su estructura y permeabilidad. Ahora, si el exterior de una neurona se toma a 0 V, entonces el interior tiene un potencial de reposo de aproximadamente -90 mV. Estos voltajes se crean a través de las membranas de casi todos los tipos de células animales, pero son más grandes en las células nerviosas y musculares. De hecho, el 25% de la energía utilizada por las células se destina a crear y mantener estos potenciales.

Las corrientes eléctricas a lo largo de la membrana celular se crean por cualquier estímulo que cambie la permeabilidad de la membrana. De este modo, la membrana se vuelve permeable temporalmente al Na+, que luego se precipita, impulsada tanto por la difusión como por la fuerza de Coulomb. Esta irrupción de Na+ primero neutraliza la membrana interna, o la despolariza, y luego la hace ligeramente positiva. La despolarización hace que la membrana vuelva a ser impermeable al Na+, y el movimiento de K+ devuelve rápidamente a la célula a su potencial de reposo, o la repolariza. Esta secuencia de eventos da lugar a un pulso de voltaje, llamado potencial de acción. (Véase la Figura 3.) Solo pequeñas fracciones de los iones se mueven, de modo que la célula puede disparar cientos de veces sin agotar el exceso de concentraciones de Na+ y K+. Eventualmente, la célula debe reponer estos iones para mantener las diferencias de concentración que crean bioelectricidad. Esta bomba de sodio y potasio es un ejemplo de transporte activo, en el que la energía celular se utiliza para mover iones a través de membranas contra gradientes de difusión y la fuerza de Coulomb.

El potencial de acción es un pulso de voltaje en una ubicación en una membrana celular. ¿Cómo se transmite a lo largo de la membrana celular, y en particular por un axón, como un impulso nervioso? La respuesta es que el voltaje cambiante y los campos eléctricos afectan la permeabilidad de la membrana celular adyacente, de modo que el mismo proceso tiene lugar allí. La membrana adyacente se despolariza, afectando a la membrana más abajo, y así sucesivamente, como se ilustra en la Figura 4. Por lo tanto, el potencial de acción estimulado en un lugar desencadena un impulso nervioso que se mueve lentamente (aproximadamente 1 m/s) a lo largo de la membrana celular.

La figura describe la propagación de un potencial de acción, o pulso de voltaje, a lo largo de una membrana celular. La membrana celular, representada por una franja azul horizontal, se muestra en cinco etapas, con la señal eléctrica moviéndose a lo largo de su longitud de izquierda a derecha. Inicialmente, la membrana está en estado de reposo, con una distribución uniforme de cargas positivas a lo largo de la superficie exterior y cargas negativas a lo largo de la superficie interior. Se muestra un catión de sodio fuera de la célula y un catión de potasio dentro de la célula. Una pequeña parte de la membrana cerca del extremo izquierdo recibe un estímulo, haciendo que esa parte sea permeable a los iones de sodio. En la segunda etapa, los iones de sodio cruzan la membrana en esa área, representados por una abertura blanca en la membrana. La distribución de carga en esa sección de la membrana se invierte; este proceso se denomina despolarización. Al mismo tiempo, se estimula una parte adyacente de la membrana. En la tercera etapa, el área despolarizada sufre repolarización, con iones de potasio que cruzan la membrana desde el interior hacia el exterior de la célula. La repolarización está representada por una caja que contiene triángulos diminutos. Al mismo tiempo, los iones de sodio entran en la célula a través del área adyacente que fue estimulada en la segunda etapa. A medida que se repite el ciclo, la señal eléctrica se mueve a lo largo de la membrana, de izquierda a derecha.

Figura 4. Un impulso nervioso es la propagación de un potencial de acción a lo largo de una membrana celular. Un estímulo causa un potencial de acción en un lugar, que cambia la permeabilidad de la membrana adyacente, causando un potencial de acción allí. Esto a su vez afecta a la membrana más abajo, de modo que el potencial de acción se mueve lentamente (en términos eléctricos) a lo largo de la membrana celular. Aunque el impulso se debe a que Na+ y K + atraviesan la membrana, es equivalente a una onda de carga que se mueve a lo largo del exterior y el interior de la membrana.

Algunos axones, como el de la Figura 1, están envueltos con mielina, que consiste en células que contienen grasa. La Figura 5 muestra una vista ampliada de un axón con vainas de mielina característicamente separadas por huecos no mielinados (llamados nodos de Ranvier). Esta disposición le da al axón una serie de propiedades interesantes. Dado que la mielina es un aislante, evita que las señales salten entre los nervios adyacentes (conversación cruzada). Además, las regiones mielinizadas transmiten señales eléctricas a una velocidad muy alta, como lo haría un conductor ordinario o una resistencia. No hay potencial de acción en las regiones mielinizadas, por lo que no se utiliza energía celular en ellas. Hay una pérdida de señal IR en la mielina, pero la señal se regenera en los huecos, donde el pulso de voltaje activa el potencial de acción a voltaje completo. Por lo tanto, un axón mielinizado transmite un impulso nervioso más rápido, con menos consumo de energía, y está mejor protegido de la conversación cruzada que uno sin mielinizar. No todos los axones están mielinizados, por lo que la comunicación cruzada y la transmisión lenta de señales son características del funcionamiento normal de estos axones, otra variable del sistema nervioso.

La degeneración o destrucción de las vainas de mielina que rodean las fibras nerviosas perjudica la transmisión de la señal y puede provocar numerosos efectos neurológicos. Una de las enfermedades más prominentes proviene del propio sistema inmunitario del cuerpo que ataca la mielina en el sistema nervioso central: la esclerosis múltiple. Los síntomas de EM incluyen fatiga, problemas de visión, debilidad de brazos y piernas, pérdida del equilibrio y hormigueo o entumecimiento en las extremidades (neuropatía). Es más propenso a golpear a los adultos más jóvenes, especialmente a las mujeres. Las causas pueden provenir de infecciones, afecciones ambientales o geográficas, o genéticas. Por el momento no hay cura conocida para la EM.

La mayoría de las células animales pueden disparar o crear su propio potencial de acción. Las células musculares se contraen cuando se disparan y a menudo son inducidas a hacerlo por un impulso nervioso. De hecho, las células nerviosas y musculares son fisiológicamente similares, e incluso hay células híbridas, como en el corazón, que tienen características tanto de los nervios como de los músculos. Algunos animales, como la infame anguila eléctrica (ver Figura 6), usan músculos agrupados para que sus voltajes se sumen con el fin de crear un choque lo suficientemente grande como para aturdir a sus presas.

La figura describe la propagación de un impulso nervioso, o pulso de voltaje, por un axones mielinizados, de izquierda a derecha. Una sección transversal del axón se muestra como una tira rectangular larga orientada horizontalmente, con una membrana a cada lado. El axón está cubierto con vainas de mielina separadas por huecos conocidos como nodos de Ranvier. Se muestran tres huecos. La mayor parte de la superficie interna de la membrana está cargada negativamente, y la superficie exterior está cargada positivamente. El espacio a la izquierda está etiquetado como despolarizado, donde la distribución de carga a lo largo de la superficie de la membrana se invierte. A medida que el pulso de voltaje se mueve de izquierda a derecha a través de la primera región mielinizada, pierde voltaje. El espacio en el medio, etiquetado como despolarizante, muestra cationes de sodio que cruzan la membrana desde el exterior hacia el interior del axón. Esto regenera el pulso de voltaje, que continúa moviéndose a lo largo del axón. La tercera brecha está etiquetada como todavía polarizada, porque la señal aún no ha alcanzado esa brecha.

Figura 5. Propagación de un impulso nervioso por un axón mielinizado, de izquierda a derecha. La señal viaja muy rápido y sin entrada de energía en las regiones mielinizadas, pero pierde voltaje. Se regenera en los huecos. La señal se mueve más rápido que en los axones no mielinados y está aislada de las señales de otros nervios, lo que limita la conversación cruzada.

Figura 6. Una anguila eléctrica flexiona sus músculos para crear un voltaje que aturde a sus presas. (crédito: chrisbb, Flickr)

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