Señales neurales Capítulo 40 Dr. Robert J. Mayer UPR en Aguadilla

1. Señales neurales Capítulo 40 Dr. Robert J. Mayer UPR en Aguadilla

2. Objetivos • Comprender la forma en que la información • fluye a través del sistema nervioso • Describir lo que son neuronas y células gliales • Describir la forma en que la información es • transmitida a lo largo de una neurona • Comprender lo que es integración neural • a travésde una sinapsis • Poder definir y describir un circuito neural

3. Los organismos responden al estímulo • La habilidad de un organismo para sobrevivir depende mucho de • cuan efectiva es la detección y la respuesta al estímulo • Estímulo – algún cambio en el ambiente Internos Externos

4. Las respuestas a estímulos dependen de la transmisión de impulsos nerviosos Esto es así en casi todos los animales

5. En casi todos los organismos las neuronas y las células • asociadas a estas están organizadas en un sistema nervioso • Las conexiones entre las neuronas determinan como • los organismos responden al estímulo

7. External Stimulus (e.g. vibration, movement, light, odor) Internal Stimulus (e.g. change in blood pH or blood pressure) “Neural signaling” RECEPTION Detection by external sense organs Detection by internal sense organs La respuesta apropiada a un estímulo depende de la comunicación entre neuronas TRANSMISSION Sensory (afferent) neurons transmit information SISTEMA NERVIOSO PERIFERAL INTEGRATION Las neuronas aferentes transmiten información a las interneuronas en en el SNC (CNS) las cuales integran la información que entra con la acción resultante Central Nervous System (brain and spinal cord) Information interpreted and response initiated TRANSMISSION Motor (efferent) neurons transmit impulses Action by effectors (muscles and glands) El 99 % de las neuronas en el ser humano son interneuronas e.g. animal runs away e.g. respiration rate increases; blood pressure rises

8. Neuronas y células gliales • Células gliales (neuroglia) – son células quele dan apoyo y • protegen las neuronas. • Neuronas – estan especializadas para enviar y recibir • información. El cuerpo humano tiene 10 veces mas células gliales que neuronas

9. Tres tipos principales de células gliales en el SNC • Microglia – son células fagocíticas que remueven • desperdicios y se encuentran cerca de • los vasos sangunieos en el sistema nervioso.

10. 2. Astrocitos – son células gliales en forma de estrella cuya función es proveerle glucosa a las neuronas Astrocyte processes with end feet are applied to the walls of blood vessels forming a continuous glial membrane surrounding blood vessels and capillaries. This important component of the so-called blood-brain barrier modifies the diffusion of substances from the blood to the extracellular fluid Help regulate the composition of the extracelular fluid in the CNS by removing potassium ions and excess neurotransmitters

11. 3. Oligodendrocitos – células gliales que envuelven las neuronas en el SNC formando capas de aislación eléctrica. El compuesto aislador se conoce como mielina La mielina es una sustancia grasosa que se encuentra en la membrana plasmática de la célula

12. Oligodendrocitos

14. Esclerosis multiple

15. 3. Células de Schwann – tipo de célula glial localizada fuera del SNC. Forman capas de mielina alrededor de algunas axonas. Esclerosis multiple

16. Neuronas Células altamente especializadas para recibir estímulos y para transmitir impulsos nerviosos también conocidos como potenciales de acción Dendrites covered with dendritic spines Cytoplasm of Schwann cell Synaptic terminals Axon Collateral branch Cell body Nucleus Myelin sheath Nucleus Axon Nodes of Ranvier Schwann cell Terminal branches (a) 1 mm Cell body integrates incoming signals Fig. 39.02

17. Estructura de un nervio (fuera del CNS) Ganglion (cell bodies of neurons) Cell bodies Myelin sheath Célula de Schwann Vein Axon Artery Fig. 39.03a

18. 100 µm (b) Fig. 40-3b, p. 848

21. Estructura de un “tract” o “pathway” (dentro del CNS) Nucleus (cell bodies of neurons) Cell bodies Oligodendrocito Myelin sheath Vein Axon Artery

22. Datos importantes Las axonas de mas de 2 µm en diametro tienen capas de mielina mientras que aquellas que son mas pequeñas usualmente carecen de capas de mielina La unión entre un terminal sináptico y otra neurona se conoce como sinapsis

23. Sinapsis

24. Transmisión de información a lo largo de la neurona La célula animal casi siempre tiene un diferencia en cargas eléctricas a través de la membrana – son mas negativas en el interior que en la parte exterior = membrana celular polarizada A través de una membrana polarizada existe un gradiente de voltage eléctrico El voltaje medido a través de la membrana se conoce como el potencial de la membrana (membrane potential)

25. La membrana de la neurona tiene un potencial de descanso (resting potential) “Resting potential” – el potencial de la membrana en una neurona o célula muscular en descanso (-70 mV) Voltaje –es la fuerza que causa que las partículas cargadas fluyan entre dos puntos

26. Factores que determinan la magnitud del potencial de la membrana • Diferencias en la concentración de iones específica • dentro de la célula en comparación con el exterior 2. Permeabilidad selectiva de la membrana celular a ciertos iones

27. La membrana es aproximadamente hasta 100 veces mas permeable a iones de K+ que de Na+ Axon -70 mV Plasma membrane Amplifier Electrode placed inside the cell Electrode placed outside the cell (a) Difusión de iones de acuerdo al gradiente de concentración Extracellular fluid 3 Na+ La concentración de iones de Na+ es aproximadamente 10 veces mayor fuera que dentro de la célula La concentración de iones de K+ es aproximadamente 10 veces mayor dentro que fuera de la célula Diffusion out Plasma membrane Na/K pump Diffusion in 2 K+ Cytoplasm (b)

28. La distribución asimétrica de iones a través de la membrana celular en reposo es causada por la acción de: • Canales iónicos selectivos 2. Bombas de iones

29. Tipos de canales iónicos • Pasivos (e.g. canales de potasio) 2. Activados por voltaje 3. Activados químicamente

30. FLUIDO EXTRACELULAR • Las células son mas • permeables a los iones de K+ • que a otros iones • Los iones de Na+ bombeados • fuera de la célula no pueden • regresar muy facilmente al • interior de la célula CITOPLASMA • Los iones de K+ bombeados • hacia el interior de la célula • pueden regresar muy • facilmente al exterior • de la célula • Los iones de K+ que se • mueven al exterior de la célula • causan que entren a la célula • otros iones positivos

31. Potencial de equilibrio Estado de pasividad en el cual los flujos opuestos eléctricos y químicos son iguales resultando en la ausencia de movimiento de iones

32. Potencial de equilibrio para K+ El potencial de la membrana en el cual el flujo de K+ hacia el interior de la célula es igual al flujo en la dirección contraria (hacia afuera)

33. El potencial de descanso de la neurona es bien parecido al potencial de equilibrio de K+ debido a la alta permeabilidad de la membrana a este ion El potencial de descanso de una neurona es de -70 mV

34. El potencial de descanso de la neurona es establecido principalmente por K+ Los iones de Cl – contribuyen levemente al potencial de descanso de la neurona ya que la membrana es permeable a iones negativos Estos iones se acumulan en el citosol cerca de la membrana celular Hay ciertas proteínas que también contribuyen a la carga negativa del citosol

35. Bomba de sodio y potasio Mantiene los gradientes que determinan el potencial de descanso Por cada 3 Na+ que se bombean hacia afuera se bombean 2 de K+ hacia el interior de la célula

36. La bomba de sodio y potasio mantiene una concentración alta de K+ dentro de la célula y una mayor concentración de Na+ afuera que adentro

37. La magnitud de las señales varía Las neuronas son células excitables Responden a estímulos y los convierten en impulsos nerviosos Un estímulo eléctrico, químico o mecánico puede alterar el potencial de descanso de una neurona mediante un aumento en la permeabilidad de la membrana a los iones de Ca +

38. Estímulo La membrana se hace menos negativa (mas cerca al 0)que el potencial de descanso La membrana se hace mas negativa (mas lejos del 0)que el potencial de descanso DEPOLARIZACIÓN HYPERPOLARIZACIÓN La neurona está mas cerca a la transmisión de un impulso La neurona se aleja del poder transmitir un impulso INHIBICIÓN EXCITACIÓN

39. Un estímulo podría alterar el potencial de la membrana en un área pequeña de la membrana plasmática Potencial graduado Una respuesta local que funciona como una señal solamente a una distancia corta. Varía en magnitud; la carga potencial varía de acuerdo a la magnitud del estímulo Toda célula, teóricamente, podría generar un potencial graduado

40. Potencial de acción El potencial de acción es generado por un flujo interno de Na+ y un flujo externo de K+ Potencial de acción – una excitación eléctrica que viaja rápidamente por un axón hacia los terminales sinápticos Solamente pueden ser generados por neuronas, células musculares y otras células (sistema endocrino e inmunológico)

41. Extracellular fluid -70mV -55mV Activation gate Inactivation gate Cytoplasm (a) Sodium channels (b) Potassium channels Canales iónicos activados por voltaje – poseen regiones cargadas electricamente que actúan como “portones”

42. Axon Extracellular fluid Potassium channel Sodium channel Cytoplasm Return to resting state. Resting state. Depolarization. Repolarization. 1 2 3 4 (b) The action of the ion channels in the plasma membrane determines the state of the neuron. Fig. 40-7b, p. 853

43. Nivel de umbral (threshold level) – voltajemínimo (o crítico) paraque se genere un potencial de acción Las membranas de la mayoría de las neuronas pueden depolarizarse a un potencial de aprox. -55 mV sin que se “dispare” un potencial de acción Cuando la despolarización es mayor que – 55 mV, un potencial de acción es generado La membrana rápidamente alcanza un potencial de 0 hasta puede llegar hasta + 35 mV o más a medida que se invierte la polaridad

44. 40 Spike 20 0 Depolarization Repolarization Membrane potential (mV) -20 Threshold level Resting state -40 Axon -60 -80 0 1 2 3 4 5 6 7 Time (milliseconds) (a) Extracellular fluid Sodium channel Potassium channel (b) Resting state, Voltage-activated Na+ and K+ channels are closed. (c) Depolarization. Voltage-activated Na+ channels open. Na+ ions enter cell; inside of neuron becomes positive relative to outside. (d) Repolarization. Voltage-activated Na+ channels close; K+ channels are open; K+ moves out of cell, restoring negative charge to inside of cell. (e) Return to resting state. Voltage-activated Na+ and K+ channels close. CERRADOS Tarda un aprox. 1 ms, en este periodo de tiempo la membrana no puede transmitir otro potencial de acción = PERIODO REFRACTORIO ABSOLUTO

45. Voltage-Activated Ion ChannelsDuring an Action Potential

46. La entrada de Na+ depolariza aun más la membrana causando que mas canales de Na+ se abran. Esto se conoce como un mecanismo de retroalimentación positiva (“positive feedback mechanism”) “Positive feedback mechanism” - un cambio en una condición causa una respuesta que intensifica el cambio

47. 40 Spike 20 0 Depolarization Repolarization Membrane potential (mV) -20 Threshold level Resting state -40 Axon -60 -80 0 1 2 3 4 5 6 7 Time (milliseconds) (a) Cocaina, novocaina, xylocaina Extracellular fluid Sodium channel Potassium channel (b) Resting state, Voltage-activated Na+ and K+ channels are closed. (c) Depolarization. Voltage-activated Na+ channels open. Na+ ions enter cell; inside of neuron becomes positive relative to outside. (d) Repolarization. Voltage-activated Na+ channels close; K+ channels are open; K+ moves out of cell, restoring negative charge to inside of cell. (e) Return to resting state. Voltage-activated Na+ and K+ channels close. Canales de Na+ estan “reset” = Periodo refractorio relativo = dura unos ms mas = la axona puede transmitir un impulso pero el umbral es mas alto

48. El potencial de acción es una respuesta de “todo o nada” Solamente un estímulo que sea suficientemente fuerte para despolarizar la membrana y llevarla su nivel de umbral crítico resultando en la transmisión del impulso a lo largo del nervio. ¿Entonces por qué la intensidad del dolor puede variar tanto?

49. El potencial de acción se propaga solo

50. Stimulus Axon Potassium channel Area of depolarization Sodium channel Action potential Onda de depolarización Area of repolarization Area of depolarization Action potential