El funcionamiento de la neurona

David Baños Abril

El padre de la neurociencia, Ramón y Cajal, era, además de destacado científico, un hábil dibujante. Esa habilidad supo plasmarla en sus estudios sobre el sistema nervioso. Buena muestra de ello son las neuronas y otras células a vista de microscopio proyectadas en sus magníficas ilustraciones.

El papel de la neurona

Saltar desde la actividad electro-química en un órgano al acto de pensamiento implica obviar un conjunto de fenómenos extremadamente complejos y diversos. Sin embargo, la ciencia entiende que la facultad pensante del ser humano no puede provenir de una entidad etérea como el alma, sino que debe tener algún sustrato físico. Teniendo esto en cuenta, es evidente que por algún sitio tendremos que empezar a explorar nuestro propia consciencia, y ese algo debe ser un fenómeno físico.

La principal actividad del cerebro, órgano del pensamiento, es la de recibir, procesar y emitir información con el resto del cuerpo y del mundo exterior. Todo esta complejísima dinámica requiere de la actividad de miles de millones de neuronas, que se comunican mediante impulsos nerviosos. 

Las neuronas son células como otras cualesquiera dentro de nuestro cuerpo. Pero tienen un conjunto de características propias que son el resultado del papel que cumplen como transmisoras del impulso nervioso. Cada neurona recibe ese impulso nervioso emitido por otras neuronas a través de las dendritas, que son extensiones del propio cuerpo de la neurona. Al mismo tiempo, la neurona cuenta con un axón que será el cable que utilice para transmitir sus propios impulsos nerviosos a las dendritas de otras neuronas.

Las neuronas extienden múltiples dendritas a su alrededor (parte izquierda de la imagen). La respuesta que emite viaja a través de un único axón (parte derecha), que puede sin embargo, ramificarse.

La conexión entre neuronas se conoce como sinapsis y no implica un contacto físico. El impulso nervioso entrante ocasiona que el extremo del axón libere un conjunto de sustancias químicas denominadas neurotransmisores que serán los que entren en contacto con la neurona siguiente. El efecto de estos neurotransmisores puede ser el de excitar dicha neurona, permitiendo así la continuidad del impulso nervioso. Todo este proceso ocurre en milésimas de segundo. Exploremos ahora más profundamente cómo se produce la transmisión de ese impulso nervioso.

Dinámica Química

Antes de describir el impulso nervioso necesitaremos conocer las dinámicas de movimiento de partículas con carga eléctrica, pues son precisamente estas las que posibilitan la excitación eléctrica de la neurona.

En un medio líquido, un determinado compuesto tenderá a distribuirse equitativamente, es decir, a que su concentración en dicho medio sea la misma en todo su volumen. Este fenómeno se conoce como movimiento en favor del gradiente de concentración o difusión. Dado que es consecuencia de la propia energía cinética de las moléculas, es un fenómeno espontáneo que no necesita de invertir energía.

De la misma manera, sabemos que existen ciertas moléculas con carga eléctrica (negativa o positiva). Y también sabemos que las cargas opuestas se atraen mientras que las iguales se repelen. La fuerza eléctrica puede hacer que las moléculas se desplacen, atraídas o repelidas por la carga eléctrica. Al igual que el gradiente de concentración, las cargas eléctricas tienden a distribuirse uniformemente, de manera que cargas negativas y positivas se igualen. El resultado es una carga neutra. Cuando en un medio no existe una distribución uniforme de las cargas significa que hay una diferencia de potencial eléctrico, es decir, un voltaje. El movimiento de las partículas para equilibrar esa diferencia y reducir el voltaje es lo que ocasiona una corriente eléctrica. De nuevo, este movimiento no necesita de ningún aporte externo de energía.

En el contenedor derecho una membrana separa dos secciones de carga opuesta. Eso implica un voltaje a ambos lados de la membrana. Si la membrana desaparece, las cargas se neutralizan y el voltaje se neutraliza.

El voltaje y la concentración regulan el movimiento de moléculas. Ambos fenómenos son independientes y pueden superponerse o contrarrestarse, por lo que un misma partícula puede estar impulsada a moverse a un lado llevada por el voltaje, y hacia otro lado llevada por el gradiente de concentración.

Potenciales de la Neurona

Como toda célula del cuerpo, la neurona cuenta con una membrana que la recubre. Esta capa no solo da consistencia a la neurona sino que regula el movimientos de moléculas entre el interior y el exterior de la célula. Tanto dentro como fuera de la neurona el medio líquido principal es el agua. Pero también existen otros compuestos. Es por eso que la composición química fuera y dentro de la neurona es ligeramente distinta. La célula se aprovecha de esto para generar el impulso nervioso.

Las moléculas relevantes en el desencadenamiento del impulso nervioso son dos cationes de carga positiva, Na+ y K+, y el anión de carga negativa Cl, además de otras moléculas de carga negativa (A) que son el resultado del metabolismo de la propia neurona. Las concentraciones de estos elementos a ambos lados de la membrana del axón son diferentes y también la carga eléctrica, lo que quiere decir que existe una diferencia de potencial o voltaje entre ambos medios.

Potencial de reposo

En estado de reposo, es decir, cuando todavía no se ha desencadenado el impulso nervioso, el interior del axón de la neurona tiene una carga más negativa que el exterior. Eso significa que la tendencia espontánea de las moléculas negativas sería salir de la célula (por eso se denomina potencial), pero esto no ocurre porque la membrana se lo impide. De la misma manera, la concentración de aniones A y K+ es también mayor en el interior.

Potencial de acción

En el estado de reposo pueden existir variaciones de voltaje entre el exterior y el interior de la neurona, pero eso no ocasiona ningún tipo de respuesta. Pero existen alteraciones del voltaje, llamadas lo suficientemente importantes para que se produzca toda una reacción en cadena que es lo que conocemos potencial de acción. Cuando la reducción del voltaje del potencial de acción supera un nivel llamado umbral de excitación, entonces se desencadena la primera fase del potencial de acción conocida como despolarización. La despolarización implica que la carga interna, que hasta el momento era negativa, pase ahora a ser incluso más positiva que el exterior celular. Esta rápida reacción es consecuencia de la entrada a favor del gradiente de concentración de Na+.

¿Cómo es que estas moléculas se desplazan ahora y no lo hacían en el estado de reposo? La membrana de la célula impide el flujo de ciertas moléculas entre el interior y el exterior celular. Sin embargo dicha membrana cuenta con canales que unen ambos medios y que permanecen cerrados en el reposo. Pero si se sobrepasa el umbral de excitación, los canales sensibles al voltaje se abren dejando paso a los iones y permiten así que la carga en el interior del axón se invierta.

Periodo refractario

En la membrana de la neurona existen también canales de K+. Estos se abren con cierto retraso respecto a los de Na+. Eso significa que en la primera fase de la despolarización la carga positiva que introducen los iones Na+ tiene más peso que la misma carga de los iones K+ que salen del interior del axón. La acción retardada de los canales de K+ provoca que tan pronto el axón adquiera una carga total en su interior positiva, vuelva otra vez a adquirir una carga negativa provocada por la salida de los iones K+, una fase que llamamos repolarización. Este aumento del voltaje impide que pueda excitarse de nuevo el axón provocando un nuevo potencial de acción. En otras palabras, la neurona, durante un tiempo limitado llamado periodo refractario, es incapaz de realizar otro impulso nervioso. Esto limita por tanto, la frecuencia de excitaciones que puede tener la neurona.

Como fase final antes de volver al reposo, el potencial de acción sufre una hiperpolarización en la que el voltaje a ambos lados de la membrana se incrementa aún más. Esto es consecuencia de los canales de K+ siguen abiertos, permitiendo la salida de los iones del interior del axón. La hiperpolarización se considera también parte de ese periodo refractario puesto que, aunque la neurona en ese momento sí es capaz de generar un nuevo potencial de acción, la despolarización que lo inicie debe ser más intensa que en el estado de reposo para poder alcanzar el umbral de excitación.

El impulso nervioso

El movimiento de cargas a través de la membrana que hemos descrito se produce en una sección muy limitada del axón neuronal. Es evidente que esto no es suficiente. El mecanismo requiere que el potencial de acción desencadene una reacción en cadena que viaje a lo largo del axón, permitiendo así la comunicación con la neurona siguiente. El axón puede llegar a medir  varios centímetros en algunos casos y es necesario que recorra esa distancia. De alguna manera el potencial de acción debe también desplazarse para dar lugar, ahora sí, al impulso nervioso.

Como vimos, el potencial de acción comenzaba con una pequeña reducción del voltaje. Esto desencadenaba la apertura de los canales de iones y por tanto, una reducción del voltaje mucho más pronunciada. Aunque esto ocurra en una sección limitada del axón, las zonas adyacentes no son ajenas a esta reacción. La polarización induce también un cambio de voltaje en sus cercanías, el suficiente para activar los canales de iones y provocar una reacción en cadena que se extienda por todo el axón. Así es como el potencial de acción viaja a lo largo del axón.

Alguien podría deducir de esto que el impulso nervioso se extienda en las dos dirección del axón. Pero no es así, el impulso nervioso es unidireccional. La razón está en el periodo refractario del potencial de acción impide que se produzca una despolarización en la dirección inversa. 

Vainas de mielina

Las capacidades intelectivas del ser humano tienen su sustrato biológico en la sincronización de millones de impulsos nerviosos, y todo eso en milésimas de segundo. No solo necesitamos de una gran cantidad de neuronas, sino que además estas deben de ser rápidas. El impulso nervioso viaja a través de los axones a casi 120 m/s. Pero esto no es un logro exclusivo de la neurona.

Células conocidas como oligodendrocitos cubren los axones de las neuronas con vainas de mielina. Estas vainas actúan como aislantes y se van alternando con secciones que están sin cubrir. Las vainas de mielina impiden el movimiento de cargas en la membrana del axón y por tanto, cualquier potencial de acción. Pero las secciones sin cubrir están lo suficientemente cerca unas de otras como para que la despolarización de una afecta a la siguiente. Esto permite reducir la superficie del axón que necesite sufrir la despolarización y por tanto, hacer que el impulso nervioso viaje mucho más rápido. 

Lecturas Recomendadas

 – Bear, M. F., Connors, B. W. y Paradiso, M. A. (2016) Neuroscience. Exploring the brain.

 – Kolb, B. y Whishaw, I. Q. (2013) Neuropsicología Humana.

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