Estudio Del Sistema Nervioso

GUÍA DE ESTUDIO COMPORTAMIENTO

Nº

1:

CONTROL

NERVIOSO

Y

Profesor David Santibáñez Gómez

Resumen de contenidos:

Habilidades a desarrollar:

- Generalidades: estímulos, respuestas, irritabilidad, intensidad umbral - Diversidad de sistemas nerviosos - Estructura neuronal - Organización estructural y funcional del sistema nervioso - Capacidad integrativa del sistema nervioso - Impulso nervioso - Sinapsis: procesos relacionados (memoria) y alteración por drogas - Interacción neuronal como causa de las funciones nerviosas - Receptores sensoriales: diversidad y especificidad - La visión: estructura y funcionamiento del ojo, transducción, anomalías - Efectores musculares: funciones, estructura, mecanismo

- Elaborar y sintetizar conceptos. - Razonar, inferir y hacer conjeturas, en base a conocimientos previos y problemas. - Utilizar distintas fuentes de información. - Interpretar gráficos, fotografías, dibujos y esquemas funcionales.

1. Sistema nervioso: organización y función El sistema nervioso de los organismos permite la irritabilidad y puede presentarse de varias formas Todos los organismos tienen la propiedad de ser irritables, vale decir, de responder a estímulos externos cuando éstos alcanzan cierta intensidad umbral o mínima. Mientras que algunos organismos poseen una capacidad de respuesta muy limitada, hay otros que poseen un sistema de estructuras especializadas, que expande la capacidad y diversidad de respuesta: el sistema nervioso. De esta manera, el sistema nervioso integra la función de los sistemas sensoriales y los musculares a través de centros ubicados en la médula espinal y el cerebro, donde se procesan las señales provenientes del exterior e interior del organismo. Es un órgano de información. Información que circula por el organismo con el fin de regular sus propias funciones y de mantener la estabilidad que requiere para mantenerse como tal, en un ambiente hostil y variable. Pero también es un órgano del comportamiento, pues en el caso de los animales más complejos, todas las conductas dependen de las llamadas funciones superiores del sistema nervioso. A pesar de que hay animales que carecen de sistema nervioso (las esponjas), la mayoría de ellos lo presentan.

Podemos distinguir tres modelos básicos de sistemas nerviosos: reticular, ganglionar o segmentado y encefálico, propio de los vertebrados. Ver figura 1 El sistema reticular se presenta en animales simples como los cnidarios (hidras, anémonas de mar, corales, medusas) como una red nerviosa ubicada en el cuerpo del animal y a través de la cual fluye la información que se genera por aplicar un estímulo en cualquier punto del cuerpo del animal. El sistema ganglionar se presenta en animales de cuerpo alargado y segmentado (lombrices, artrópodos). Los cuerpos neuronales se agrupan (centralización) formando ganglios que se ubican, por pares, en los segmentos. Los ganglios se comunican entre sí por haces de axones y hacia el extremo cefálico del cuerpo constituyen un cerebro primitivo. El sistema encefálico es más complejo y esta representado por un encéfalo (cerebro, cerebelo y médula oblongada) encerrado en una estructura ósea (cráneo) y por un órgano alargado, la médula espinal, encerrada en la columna vertebral. Al encéfalo y a la médula espinal la información entra y/o sale a través de los nervios llamados pares craneanos y nervios raquídeos, respectivamente. Actividad 1: Caracterización de respuestas de un invertebrado (laboratorio nº 1) El sistema nervioso posee una organización que permite precisión y velocidad

Figura 1

La información generada en un receptor sensorial, por ejemplo los receptores de presión de la piel, viaja por axones sensoriales hasta los centros nerviosos, a los cuales accede a través de la médula espinal. En este recorrido la vía para cada sistema sensorial es específica, cruzada y pasa por diferentes neuronas (relevos) ascendiendo hasta alcanzar centros de integración nerviosa, también específicos. Si estos se ubican en la corteza cerebral, la información genera el proceso de percepción. En el ejemplo del esquema, tras producirse un estímulo en la piel, se activa una vía aferente o sensitiva que conduce esta información, a través de varios relevos en el sistema nervioso central, hasta la corteza cerebral, específicamente en el área sensorial. Para que esta información sea debidamente procesada, se traspasará a varias neuronas de asociación, que finalmente se comunicarán con la corteza motora. Los programas motores que se crean en la corteza cerebral, descienden por vías motoras o eferentes específicas, que tras varios relevos, hacen llegar la información hasta el efector, en este caso, un músculo esquelético, cuya respuesta sería un movimiento. Figura La relación estructural y funcional que se inicia con la estimulación del receptor y termina con la 2 respuesta del efecto, se denomina arco reflejo. Como se observa en el esquema de la figura 2, la información sensorial y la motora fluyen por vías paralelas, específicas que pueden interactuar en algunos tramos pero que no se mezclan.

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Actividad 2: Reconocimiento de la estructura y características funcionales básicas del sistema nervioso: a) Observa el siguiente esquema en la figura 3, escoge criterios de comparación y compara el sistema nervioso con el endocrino

Figura 3 b) Asigna los números que aparecen en el esquema de la figura 4, a las estructuras que se describen en la tabla 1:

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Figura 4

neuronas

El sistema nervioso se organiza en base a dos tipos de células: glía y

Hasta fines del siglo XIX, se consideraba que el sistema nervioso estaba constituido por una red compleja de fibras continuas, entretejidas y comunicadas, sin que fuese posible aseverar que realmente estaba configurado por unidades independientes. Gracias a un novedoso método de tinción implementado por el anatomista italiano Camillo Golgi, en 1875 fue posible observar neuronas independientes por primera vez. Este método fue recogido por el médico español Santiago Ramón y Cajal para confirmar la individualidad funcional de la neurona, revelar la forma en que se organizaba el tejido nervioso de los distintos órganos y descubrir que las conexiones neuronales no eran aleatorias, sino que seguían patrones bien definidos (ver figura 5). Por tales aportes a la neurociencia, Golgi y Cajal recibieron el premio Nóbel de Medicina y Fisiología en 1906. Actualmente sabemos que el tejido nervioso involucra neuronas, como las células

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responsables de la transmisión nerviosa, y células gliales, las tienen actividades de apoyo a la red neuronal (figura 6) Figura 5. La imagen de la izquierda corresponde a una micrografía de neuronas piramidales en que se utilizó la tinción de Golgi. El dibujo de la derecha representa el mismo tipo de neuronas, dibujadas por Ramón y Cajal alrededor del año 1900. Las células gliales: Son 10-50 veces más numerosas que las neuronas y las rodean. De forma similar a las neuronas, presentan ramificaciones, a veces muy escasas, y cortas que se unen a un cuerpo pequeño. Aunque no se las considera esenciales para el procesamiento y conducción de la información se les atribuye funciones muy importantes para el trabajo neuronal: • Proporcionan soporte mecánico y aislamiento a las neuronas. • Aíslan el axón, sin impedir el proceso de autogeneración del potencial de acción, con lo que se logra acelerar la velocidad de propagación de esta señal. • Mantienen la constancia del microambiente neuronal, eliminando exceso de neurotransmisores y de iones • Guían el desarrollo de las neuronas y parecen cumplir funciones nutritivas para este tipo de células. Se han distinguido dos tipos de células gliales: las de la microglía y las de la macroglía. Las primeras son, en realidad, glóbulos blancos (fagocitos) que aparecen en condiciones de daño o de enfermedades del tejido nervioso. Por el contrario, la macroglía corresponde a varios tipos de células que se encuentran normalmente en el sistema nervioso: Figur • Los oligodendrocitos, en el sistema nervioso central, y las a6 células de Schwan, en el sistema nervioso periférico. Presentan cuerpos celulares pequeños con escasos procesos celulares. Esta variedad de células son las encargadas de la mielinización. • Los astrocitos, tienen un cuerpo de forma irregular, presentan numerosos procesos celulares, alargados y los cuales terminan en un pié terminal. Este se adosa a algunas de las

oligodendro cito TIPOS DE NEUROGLIA O CÉLULAS DE LA GLÍA Figura 7

microglía 5

estructuras neuronales o sobre capilares sanguíneos. Los pies que terminan sobre elementos nerviosos configuran una estructura, la membrana glial o vaina limitante. Los que terminan sobre las células endoteliales de los capilares sanguíneos forman uniones en hendidura (tight junctions) y forman, en algunas regiones del sistema nervioso central una barrera impermeable, la barrera hemato-encefálica. (ver figura 7) Las neuronas: Son las más características y estudiadas por la relación de sus propiedades con las funciones del sistema nervioso. Vale decir, comprendiendo la forma en que se organiza una neurona, es relativamente fácil comprender cómo se puede traspasar la información al interior de cualquier porción del sistema nervioso. Las neuronas están funcionalmente polarizadas. Esto es, reciben información por uno de sus extremos, el dendrítico y la entregan por otro, el extremo axónico. Tal organización determina, en parte, su enorme capacidad de comunicarse con otras células, especialmente con otras neuronas. Se organizan en redes complejas y tridimensionales, cuando deben integrar señales sensoriales y motoras. Para el transporte de la información a lo largo de distancias de mayor alcance, las neuronas se agrupan de forma mas o menos paralela, originando nervios. Pese a que cada ser humano posee más de 100 billones de neuronas (16 veces el número de la población del planeta), cada neurona posee una estructura básica similar: dendritas, cuerpo celular o soma y axón. El cuerpo celular o soma es el centro metabólico de la neurona y da origen a dos tipos de prolongaciones: el axón y las dendritas. Cuerpo neuronal o soma: El cuerpo neuronal se encuentra rodeado de una membrana de alrededor de 7.5 nm de grosor, la membrana plasmática. El citoplasma neuronal presenta una serie de sistemas membranosos que constituyen organelos y que, a pesar de estar conectados entre sí, tienen características enzimáticas específicas. En él se encuentran, además, otros componentes como los lisosomas, gránulos, mitocondrias, vesículas y complejos vesiculares, neurofilamentos, neurotúbulos y ribosomas. Una de las características importantes de la neurona es la organización membranosa. Considerando las complejas estructuras membranosas presentes en la neuronas y su organización funcional, se pueden distinguir tres sistemas: un sistema principal representado por la membrana nuclear, el retículo endoplásmico, el sistema de Golgi, las vesículas secretoras, los endosomas, la membrana plasmática; los lisosomas; las mitocondrias Estos tres sistemas están inmersos en el citosol, que se presenta como un gel formado por proteínas hidrosolubles y por filamentos insolubles que constituyen el citoesqueleto. Estos sistemas de membranas constituyen compartimientos separados, estructurados con distintas proteínas y que cumplen diferentes funciones: Núcleo neuronal. Es grande, generalmente esférico y presenta un nucléolo vesiculado. Sustancia de Nissl. Es un sistema ramificado de membranas que se distribuye por el citoplasma, en forma de cavidades aplanadas, tachonadas por filas de ribosomas y rodeados de nubes de polirribosomas. Es el retículo endoplásmico rugoso (RER). Esta estructura no se

Figura 8 6

observa en el axón pero sí en las dendritas. En el RER se producen los distintos tipos de proteínas que necesitan las neuronas para su funcionamiento. Retículo endoplásmico liso. Es un sistema de cisternas semejantes a las observadas en el RER pero que no presentan ribosomas y que tienen un distinto grado de desarrollo en los diferentes tipos de neuronas. Es muy notable en las células de Purkinje. Funcionalmente se le ha asociado al transporte de proteínas. Aparato o Sistema de Golgi. También se presenta como un sistema de cavidades membranosas, aplanadas, que conforman una red y que presentan vesículas asociadas. Lisosomas. Son los organelos encargados de la degradación de desechos celulares. Se originan como pequeñas vesículas desde el aparato de Golgi. Neurotúbulos. Variedades de estructuras de forma tubular de diámetro variable. Los hay de 2224 nm de diámetro, cuya pared esta formada por 13 unidades de filamentos de tubulina. Son los microtúbulos. Otros, los neurofilamentos, son más delgados con un diámetro de alrededor de 10 nm. Más delgados aún, de alrededor de 5 nm de diámetro, son los microfilamentos formados por actina. Los neurotúbulos son importantes para el desarrollo neuronal, para la mantención de la estructura neuronal y para el transporte axonal. Mitocondrias. Se ubican tanto en el soma como en los procesos neuronales. Su forma puede cambiar de un tipo de neurona a otro pero su estructura no es diferente, en su esquema básico, a la de las mitocondrias de cualquier otra variedad de células. Axón Es una prolongación tubular, con un diámetro de 0,2 a 20 µ m, que puede ramificarse y extenderse más de un metro de largo. El axón es la principal unidad conductora de señales de la neurona, capaz de enviar señales a gran distancia mediante la propagación de señales eléctricas. Normalmente cada neurona posee un axón, que puede ser tan largo como el de las neuronas motoras o tan corto como el de las neuronas de la corteza del cerebelo. En el se han definido varios segmentos morfológica y funcionalmente diferentes: • el montículo axónico: es el segmento que conecta al axón con el soma. Puede presentar fragmentos de Sustancia de Nilss con abundantes ribosomas. • el segmento inicial: continua al montículo y en él, los elementos axoplasmáticos se empiezan a orientar longitudinalmente. Hay pocos ribosomas pero presenta neurotúbulos, neurofilamentos y mitocondrias. En este segmento se inician los potenciales de acción. • el axón propiamente tal: aquí la membrana celular es de aspecto uniforme excepto en las zonas de los Nódulos de Ranvier donde se aprecian densidades submembranosas. En este segmento también se encuentran microtúbulos, neurofilamentos, mitocondrias, vesículas y en la zona de los Nódulos existe una alta concentración de canales de sodio. • la porción terminal: el axón se ramifica y las ramas alcanzan los botones sinápticos. En estas regiones sinápticas (terminales presinápticos) se encuentran abundantes vesículas sinápticas. Mediante estas estructuras es que la neurona puede conectarse con otra, para traspasarte el impulso nervioso Dendritas Las dendritas son prolongaciones de un grosor normalmente superior al del axón, aunque pueden ser tan o más largas que éste. Básicamente constituyen la superficie que utilizan los botones sinápticos para establecer uniones con una segunda neurona. Las neuronas se distinguen unas de otras por su forma y tamaño, especialmente por el número y forma de sus prolongaciones dendríticas y axonales. El número y extensión de las prolongaciones dendríticas se correlaciona con el número de conexiones con otras neuronas. Una motoneurona espinal, cuyas prolongaciones dendríticas son moderadas en número y extensión, recibe alrededor de 10.000 contactos, 2000 en el cuerpo celular y 8000 en las dendritas. En cambio, el enorme árbol dendrítico de las células de Purkinge del cerebelo recibe alrededor de 150.000 contactos. Actividad 3: Identifica en tu cuaderno el nombre de las estructuras que se rotulan en la neurona esquematizada en la figura 8

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En base a este esquema general, existe una amplia variedad de formas y tamaños que dependen del soma y de los procesos neuronales mencionados. Así, el tamaño del soma varía entre los 6-8 µ m (células granulosas del cerebelo) y los 60-80 µ m (células de Purkinje también en el cerebelo). En general, la morfología de las neuronas, igual que la de las células gliales, es extendida lo cual refleja una forma de adaptación en células cuya función depende de las múltiples interacciones que puedan establecer (figura 9)

Figura 9

Tal como lo definió Ramón y Cajal hace más de un siglo, la estructura particular de la neurona origina dos principios que determinan su funcionamiento: a) La polaridad funcional, es decir, que el impulso nervioso fluye en sólo una dirección desde los sitios donde se recibe el estímulo (dendritas) hacia la terminal presináptica (botón sináptico). b) Conectividad específica, es decir, que las células nerviosas no se conectan indiscriminadamente unas con otras formando redes al azar, sino que establecen conexiones específicas en sitios precisos y especializados de contacto sináptico, con sólo algunas neuronas postsinápticas. La organización de las neuronas origina dos tipos de tejidos en las estructuras nerviosas Las neuronas y las células gliales forman el tejido nervioso. Pero fundamentalmente, es la distribución de las neuronas lo que determina la existencia de dos formas principales de tejido nervioso: La sustancia blanca y la sustancia gris. La primera esta formada principalmente por axones mientras que la segunda se forma por la agrupación de cuerpos neuronales, formando núcleos o ganglios y capas de neuronas.

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En las diferentes regiones del sistema nervioso la distribución de esos subtipos de tejidos determina complejas relaciones anatómicas (ver figura 10) Al examinar un cerebro intacto se aprecia que la sustancia gris está constituyendo una envoltura de alrededor de 5 mm de grosor, la corteza cerebral. Esta es muy accidentada ya que presenta numerosos pliegues y surcos. Si hacemos un corte coronal que pase por el tallo hipofisiario, se observa que la sustancia gris envuelve cada hemisferio cerebral encerrando a la sustancia blanca la cual, sin embargo, rodea a diferentes núcleos que se ubican al interior de cada hemisferio: tálamo, ganglios basales, núcleos hipotalámicos. Si observamos el borde superior en cada hemisferio, encontramos que la envoltura de sustancia gris también penetra en la cara interna del hemisferio y enfrenta entonces a la del hemisferio opuesto. Ambas caras internas están separadas por la cisura interhemisférica. Figura Si descendemos un poco, hasta la altura del tronco cerebral y practicamos un corte10 transversal, encontramos que la distribución del tejido nervioso cambia. Ahora la substancia gris se encuentra en el interior rodeada de substancia blanca.

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Si descendemos más aun, hasta la médula espinal, y practicamos cortes transversales a diferentes alturas, encontramos que la substancia gris se organiza como una estructura bien definida, en forma de letra H, ubicada en el centro y rodeada casi completamente de substancia blanca. La substancia gris, en los cortes de la médula, presenta dos expansiones anteriores o astas anteriores y dos posteriores o astas posteriores. Las astas anteriores representan la vía de salida (motora) del sistema nervioso. Las astas posteriores representa la vía de entrada. Los arcos reflejos son específicos, direccionados y poseen relevos modificadores No se debe olvidar que las neuronas de la médula espinal o del encéfalo, aunque estructuralmente se les asocie a la substancia gris o blanca, normalmente se encuentran constituyendo arcos reflejos. Una inmensa variedad de procesos nerviosos se articulan mediante arcos reflejos. Cada uno de éstos consta de receptor sensorial, vía aferente, centro de integración, vía motora y efector específico. A pesar que el arco reflejo que permite articular Figura 11 la percepción del equilibrio con el movimiento utiliza neuronas muy parecidas a las del arco reflejo destinado a responder frente a diferencias de temperatura, la integración cerebral permite diferenciar ambos procesos. Vale decir, el cerebro distingue temperatura de presión, de sabor, de imagen, etc. pese a que la información mediante el mismo tipo de células. La organización general de las áreas del cerebro responsables de cada tipo de sensación, es revisada más adelante. Actividad 4: Completación de los componentes de varios arcos reflejos En la siguiente tabla se señalan 5 arcos reflejos distintos. Para cada caso se mencionan sólo algunos componentes. Tu tarea es completarlos con las estructuras y procesos que faltan. El ejemplo de la primera fila está basado en el arco reflejo que se ilustra en la figura 11 Estímulo Golpe (presión repentina)

Receptor sensorial Órgano tendinoso de Golgi

Vía sensitiva o aferente

Centro integrador Médula espinal

Vía motora o eferente

Efector

Respuesta

Músculo esquelético

Movimiento de la pierna

Músculos asociados al cristalino

Luz Corpúsculo de Pacini (piel)

Corteza cerebral Bulbo raquídeo

Aumentar la frecuencia respiratoria

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Corpúsculo de Ruffini (piel) Cambios en la posición del cuerpo

Músculo liso Movimientos que favorecen el re-equilibrio

A través del arco reflejo, el impulso nervioso siempre lleva la misma dirección: de lo sensitivo a lo motor. Sin embargo, sufre modificaciones que permiten modular o coodinar las respuestas. Por ejemplo, cada vez que se envía información motora para contraer un músculo esquelético, se hace necesario que el músculo opuesto o antagonista, se relaje. De otra forma, el movimiento no sería posible. Como ambas respuestas deben ser simultáneas, el arco reflejo requiere que desde el centro integrador (en este caso la médula espinal) se originen dos vías motoras: una que permita contraer el músculo agonista y otra que relaje el músculo antagonista. Para que el proceso sea simultaneo, se necesita una especial organización estructural entre las neuronas aferentes, intermediarias (interneuronas) y motoras (motoneuronas). De esta manera, tal como se esquematiza en la figura 12, una señal aferente puede generar impulsos nerviosos que activan (exitatorios) motoneuronas y al mismo tiempo impulsos que desactivan (inhibitorios) otras motoneuronas. Como se verá más adelante, la unión entre una neurona y otra, puede ser de tipo inhibitorio o exitatorio. En el caso de la unión exitatoria la señal emitida será mantener el impulso nervioso. En el caso de la unión inhibitoria, en cambio, será detener el impulso nervioso para que no prosiga en la siguiente neurona. Las modificaciones del impulso nervioso ocurren en todo tipo de circuitos, a lo largo de todo el sistema nervioso. Considerando los billones de neuronas y la enorme red de conexiones que establecen, es difícil dimensionar la complejidad de su funcionamiento como un todo. En el encéfalo convergen vías sensoriales y motoras, estructurando órganos bien definidos

Figura 12

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Para poder definir el camino que siguen las vías sensoriales y motoras al interior del encéfalo, resulta Figura 13 imprescindible tener una idea general de su organización anatómica. En el esquema de la figura 13 se presenta un corte sagital medio a través del cráneo y de la columna vertebral. Anatómicamente se distinguen en el sistema nervioso dos grandes divisiones: el sistema nervioso central y el sistema nervioso periférico. El primero esta alojado en dos estructuras óseas: la caja craneana o cráneo y la columna vertebral. El segundo es el conjunto de estructuras nerviosas que se ubican fuera del sistema nervioso central. En el cráneo se encuentra el encéfalo, formado por el cerebro, el cerebelo y algunos órganos del tronco cerebral (bulbo raquídeo y la protuberancia anular). En la columna vertebral se ubica la médula espinal. Entre los huesos del cráneo y de la columna vertebral y el tejido nervioso se encuentra un sistema de membranas que envuelven al sistema nervioso central, son las meninges. En la región posterior e inferior y debajo de ambos hemisferios se ubica el cerebelo. Por delante de él se encuentra la porción encefálica del tronco encefálico. La médula espinal es una continuación del bulbo raquídeo, que se dispone al interior de la columna vertebral

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Figura 14a

Figura 14b

Actividad 5: Identificación de las regiones más importantes de la anatomía cerebral Lee atentamente la descripción que se realiza en torno a la figura 14a y con tal información, rotula y pinta la figura 14b En el esquema (fig. 14a), se nos presenta la cara lateral externa del encéfalo del lado derecho. Ésta aparece como una superficie arrugada donde hay repliegues separados por hendiduras. En esta cara es posible distinguir cuatro grandes regiones o lóbulos, cuyos nombres se relacionan con los huesos craneanos que las cubren. Son los lóbulos frontal, parietal, temporal y occipital. Los límites entre estos lóbulos los dan cisuras o surcos claramente identificables y/o líneas imaginarias que son sus prolongaciones. La cara lateral presenta un límite inferior representado por su borde inferior. Desde la porción anterior nace desde ese borde un surco que se dirige ascendiendo hacia atrás. Es el surco lateral o cisura de Silvio, el cual separa el lóbulo frontal del lóbulo temporal. Una prologanción de ese surco se dirige hacia atrás y descendiendo hacia la parte posterior separa el lóbulo temporal del parietal por arriba y del lóbulo occipital por atrás. Desde el borde superior y de forma más o menos vertical, desciende el surco central o cisura de Rolando, que permite separar los lóbulos frontal del pariental. La distinción de los lóbulos y los surcos principales permite establecer el área en que se encuentran funciones específicas de la corteza cerebral. Básicamente, estas áreas pueden ser sensoriales, motoras o de asociación. En el primer caso, se trata de zonas en que convergen las vías sensoriales de la vista, oído, tacto, etc. Las áreas motoras son las encargadas de enviar información hacia los efectores musculares y las áreas de asociación fundamentalmente integran funciones sensoriales y motoras. Delante de la cisura de Rolando se encuentra la circunvolución pre-central donde se ubica la corteza motora primaria. Por detrás del surco central se halla la circunvolución postcentral en la que se ubica la corteza sensorial somática primaria. En la parte más posterior del lóbulo occipital, se encuentra la corteza visual primaria, mientras que en el lóbulo parietal, junto a la parte media ascendente de la cisura de Silvio, en el lóbulo temporal, se encuentra la corteza auditiva primaria. Finalmente, en la parte inferior del lóbulo frontal se ubica el área de asociación prefrontal. La organización del sistema nervioso central involucra vías sensoriales específicas

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En el esquema de la figura 15a y 15b se ejemplifican dos vías que relacionan el receptor con el área específica de la corteza cerebral que es activada. En el primer caso, al estimular receptores de presión ubicados en la piel de un dedo, los impulsos nerviosos viajan por neuronas sensoriales a través de la médula espinal. La información se cruza al lado opuesto mediante neuronas de asociación o interneuronas, para luego entrar al encéfalo y establecer un nuevo relevo en el tálamo. Finalmente, desde ahí la información es conducida hasta la corteza sensorial, donde se producirá la sensación de tacto. El segundo ejemplo muestra una vía mucho más breve, puesto que ocurre en los límites de la cabeza: La estimulación de la retina de los ojos, permite el envío de impulsos a través del nervio óptico, ligeramente por debajo del encéfalo. Las neuronas de los nervioss ópticos se cruzan parcialmente en el tracto óptico, para luego ser conducidas hasta la corteza visual localizada en el

lóbulo occipital.

Figura 15b Figura 16

Figura 15a

En ambos casos, la vía sensorial converge en la corteza cerebral. Debe recalcarse que pese a que se trata de sensaciones muy distintas (tacto y luz), la corteza sensorial primaria y la corteza visual primaria vistas al microscopio se ven exactamente iguales (figura 16). Antiguamente, para definir la función de cada área de la corteza se estudiaban el efecto de lesiones cerebrales, ya sea durante procedimientos quirúrgicos o autopsias. De esta forma, si una persona había quedado ciego tras un golpe, al

Figura 17

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morir se constataba que la lesión había afectado su corteza occipital. Hoy en día existen técnicas de exploración que permiten observar la actividad cerebral en vivo. Por ejemplo, la tomografía de emisión de positrones (TEP) permite averiguar qué área cerebral es la que se activa cuando una persona lee, escucha o habla. La tomografía de emisión de positrones es una técnica de imagen en la que se administra a una persona un compuesto marcado radiactivamente, como por ejemplo, glucosa marcada con carbono radiactivo. Luego, la persona es dispuesta en una enorme máquina con un agujero de forma cilíndrica: el tomógrafo. En la medida que la glucosa marcada es metabolizada por el cerebro, su radioactividad es desprendida en forma de unas partículas llamadas positrones. Como los positrones poseen la misma masa, pero carga opuesta a los millones de electrones presentes en otras moléculas del cerebro, ambas partículas chocan y se destruyen, produciendo un nuevo tipo de radiación. La radiación producida son los rayos gamma, los que son detectados específicamente por el tomógrafo, generándose una imagen de la zona del cerebro que hace mayor uso de la glucosa o, dicho de otra manera, la zona más activa (figura 17) Actividad 6: Áreas específicas teóricas y según imágenes TEP Utiliza las siguientes imágenes obtenidas mediante TEP para validar o invalidar la descripción realizada en la figura de las áreas sensoriales y motoras. Cada una de las siguientes imágenes representa cuatro cortes coronales a distintas alturas del encéfalo, desde la parte superior, hasta la parte más baja.

Figura 18a. TEP de cerebro en reposo

Figura 18b. TEP de cerebro, obtenido mientras a la persona se le hace escuchar música

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Figura 18c. TEP de cerebro, obtenido mientras a la persona se le hace observar un dibujo

Figura 18d. TEP de cerebro, obtenido mientras a la persona se pide que mueva un pie

El lenguaje es una función que requiere la integración de varias áreas cerebrales La imagen de la figura 19 muestra las áreas cerebrales que se activan durante diferentes aspectos relativos al lenguaje.

Figura 19

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Actividad 7: Resuelve los siguientes problemas en torno a las áreas comprometidas con el lenguaje 1. Intuye cuál es la función específica de las áreas de la corteza señaladas en cada una de las TEP 2. Hipotetiza qué aspecto del lenguaje no se podría llevar a cabo si se dañara cada una de las áreas indicadas 3. Hipotetiza qué sucedería si un tumor cerebral interrumpiera la comunicación entre el área de asociación visual y el área auditiva primaria (localizada en la corteza temporal) 4. En base a la información entregada por las imágenes tomográficas, escoge las afirmaciones correctas: a) El hemisferio cerebral responsable del lenguaje en el ser humano es el izquierdo b) Cada aspecto del lenguaje está controlado por un lóbulo cerebral distinto c) La materia blanca del cerebro debería estar formada, en parte, por neuronas responsables del lenguaje d) Las áreas de la corteza responsables del lenguaje son sensoriales más que motoras e) Hay áreas del cerebro que funcionan en forma simultánea Figura 20 5. El área de Wernicke se encuentra entre la circunvolución de Heschl, que es el receptor primario de los estímulos auditivos, y la circunvolución angular, que sirve de estación de relevo entre las regiones auditivas y visuales. (ver figura 20). Cuando se daña el área de Wernicke, el habla es fluida, pero tiene poco contenido y generalmente se pierde la capacidad de comprensión. Las áreas de Wernicke y Broca se unen por el haz nervioso llamado fascículo longitudinal superior. Cuando esta estructura sufre una lesión, el habla es fluida pero anormal y el paciente entiende las palabras pero no puede repetirlas. ¿Qué función tendría el área de Broca? 6. ¿Por qué crees que la imagen de la figura 21 se utiliza para diagnosticar problemas asociados al lenguaje? ¿cómo la usarías tú? 7. Selecciona alguna función cerebral que podría ser interesante de ser estudiada mediante TEP. Justifica Figura 21

2. Impulso nervioso: bases celulares y mecanismo de acción

En un axón en reposo existe un potencial eléctrico que es propio de la membrana plasmática Si bien la relación entre la energía eléctrica y el sistema nervioso era estudiada desde fines del siglo XVIII, especialmente con los experimentos realizados por Galvani utilizando ranas descerebradas, no fue hasta mediados del siglo XX que un grupo de científicos ingleses - Huxley, Hodgkin y Katz - descubrieron el mecanismo que explica la transmisión del impulso nervioso. Tales científicos estaban empeñados en resolver el problema de la transmisión del impulso nervioso y si bien intuyeron muy tempranamente la relación de los gradientes iónicos con la Figura 22: nerviosa, debieron sortear muchas dificultades para dar con un diseño experimental conducción Foto de en quey dibujo fuera posible medir directamente potenciales eléctricos de pequeñísima intensidad, en calamar, invisibles a la vista. membranas mostrando la hicieron uso de segmentos longitudinales de axones gigantes de calamar (figura Para ello, posición de sus 22), los que habían demostrado comportarse de manera similar a los axones humanos, pero nervios tenían la principales particularidad de presentar poco menos de 1 milímetro de diámetro. Vale decir, casi mil veces más grueso que un axón humano.

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Para realizar mediciones de voltaje o diferencia de potencial eléctrico en la membrana del axón de calamar, los investigadores utilizaron el osciloscopio de rayos catódicos. Se trata de un instrumento que permite medir con gran precisión diferencias de potencial, corrientes, resistencias y otros parámetros eléctricos, en un ampio rango. El osciloscopio dispone de un juego de placas que pueden conectarse con fuentes de poder eléctrico, como por ejemplo, una pila eléctrica, cuyo potencial se puede medir. Si el polo positivo de la pila (ánodo) se conecta a una placa y el cátodo de la pila a la otra placa, esta última se cargará negativamente, lo cual provocará un desplazamiento de la línea de la pantalla del osciloscopio a otra posición, en la parte inferior de ella. Vale decir, los cambios de posición de una línea que aparece en la pantalla del osciloscopio dan cuenta de un voltaje o diferencia de potencial eléctrico. Si la línea no cambia de posición, el voltaje será 0 o neutro. Para medir el voltaje de superficies tan pequeñas, se requiere el uso de microelectrodos, dispositivos de vidrio o de ciertos tipos de metal, que permiten registrar en la inmediata vecindad de una neurona su actividad eléctrica. Si conectamos un microelectrodo a una placa del osciloscopio y otro electrodo lo conectamos a la otra placa, podremos explorar la conducta eléctrica de la neurona. Si ambos electrodos se encuentran fuera de la neurona, como se indica en el esquema, el barrido en la pantalla del osciloscopio (línea luminosa que atraviesa la pantalla del osciloscopio) no se altera ya que no hay diferencia de potencial entre las placas. Esa línea y su ubicación en la pantalla del osciloscopio nos sevirán de referencia y le daremos un valor igual a cero. Al penetrar con el microelectrodo al interior del soma neuronal, el barrido en la pantalla del osciloscopio da un salto hacia abajo y toma una nueva ubicación donde queda estable. El voltaje señalado es de alrededor de -70 mV. Al sacar el microelectrodo desde el interior de la neurona el barrido vuelve a la posición cero (figura 23). ¿Qué significa este cambio en la posición del barrido en la pantalla ? ¿Cómo interpretamos que al estar ambos electrodos en el lado externo de la neurona, el barrido en la pantalla del osciloscopio permanece inalterable y en la misma posición ? El cambio de posición del barrido señala un cambio en el voltaje de una placa, a la cual está conectado el microelectrodo, con respecto a la otra placa. Es el llamado potencial de membrana comunmente denominado también como potencial de reposo y que se caracteriza porque el interior de la neurona es más negativo que el exterior, generando una polaridad que es característica, con magnitud conocida: -70 mV. Como su nombre lo indica, el potencial de reposo es la situación de un axón que no está transmitiendo ningún tipo de impulso nervioso. Para poder conocer el comportamiento de tal potencial eléctrico durante la transferencia de señales a lo largo del axón, fue necesario diseñar un nuevo experimento.

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Figura 23

1. 2. 3. 4. 5.

6. 7. 8. 9. 10. 11.

Axón gigante (400 - 700µ de diámetro ) Microelectrodo Electrodo de referencia Pantalla del osciloscopio Placa vertical superior Placa vertical inferior Medidor de voltajes Barrido Sistema generador de pulsos (estímulos eléctricos) con dos electrodos: un cátodo (-) y un ánodo (+) El microelectrodo penetra en el interior del axón El barrido da un salto y se ubica en esta nueva ubicación. La diferencia entre las dos posiciones marca la diferecia de potencial que existe entre el lado extremo y el interno de la membrana del axón

El potencial de acción surge de un cambio temporal de la polaridad normal de la membrana En base al mismo diseño que permitió evidenciar la existencia del potencial de reposo, fue posible identificar la modificación que sufre la membrana cuando el axón se encuentra “funcionando”, vale decir, transmitiendo impulsos nerviosos. Si el axón es estimulado mediante un par de electrodos que generan pulsos de corriente eléctrica de baja intensidad, tal como se muestra Figura 24 en la figura 24, el osciloscopio muestra una nueva gráfica. Ya no se trata de la diferencia de potencial de -70 mV, sino de un cambio repentino en la polaridad, tantas veces como se produzcan estímulos. Cada estímulo, un cambio de polaridad de la misma frecuencia. Tal como se señala en la figura 24, el osciloscopio muestra una onda bifásica, es decir, que tiene una fase ascendente hasta un punto máximo, para luego descender hasta la posición original. Dicho en términos del cambio de polaridad, la curva muestra una inversión de la polaridad normal, hasta que en cierto punto, la situación se revierte, hasta volver nuevamente a la normalidad. A esta inversión temporal de la polaridad normal de la membrana plasmática del axón se le llama potencial de acción. El fenómeno completo dura entre 3 y 5 milisegundos.

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Un aspecto interesante del potencial de acción es que se produce siempre que el estímulo aplicado alcanza una intensidad mínima. Sobre ese valor, la intensidad umbral, el potencial de acción se genera siempre de la misma manera, mostrando la misma curva de depolarizaciónrepolarización. En otras palabras, la membrana muestra un potencial de acción o no lo muestra. Sin puntos intermedios de depolarización. Esta característica se denomina Ley del todo o nada. El impulso nervioso estaría definido, de esta manera, como un potencial de acción que se transmite a lo largo de un axón o más claramente, como una inversión temporal de la polaridad que recorre la membrana del axón en forma longitudinal. Aunque esta definición es bastante exacta y es conocida desde la década de 1960, no explica, de ninguna manera, el mecanismo subyacente a tal inversión de polaridad. De hecho, fueron necesarios varios años de investigación y evaluación de hipótesis para comprender la causa de la polaridad normal de la célula y qué es lo que sucede realmente cuando se produce el cambio de polaridad durante un potencial de acción. Los potenciales eléctricos de la membrana tienen su origen en los gradientes iónicos que regula La membrana plasmática es una bicapa lipídica, formada por fosfolípidos, que actúa como un esqueleto o soporte en el cual se insertan numerosas otras estructuras moleculares como canales iónicos, receptores químicos, transportadores, bombas iónicas, enzimas, proteínas de reconocimiento y de conexión con otras células, proteínas que sirven de soporte a elementos del citoesqueleto, etc. (figura 25). La membrana plasmática de la neurona puede, entonces, además de limitar la estructura de esta célula cumplir un amplio rango de funciones. Además de su naturaleza lipídica, la membrana se caracteriza por ser polarizada eléctricamente ya que su lado interno esta "cubierto" por una nube de cargas negativas, mientras que su exterior lo está de Figura 25 cargas positivas. La membrana separa dos compartimientos: el intraneuronal y el extraneuronal. Por su composición lipídica impide el paso a través de ella de moléculas hidrofílicas (solubles en agua) y/o de aquellas que tengan cargas eléctricas (iones) a través de esa fase. Sin embargo, se comporta como una membrana semipermeable selectiva frente a este tipo de substancias. En efecto, en reposo es permeable al ión potasio y al agua pero impermeable a otras especies iónicas como el Na+ o el Ca2+. También es selectivamente permeable a ciertos metabolitos como la glucosa o a otras moléculas, como los precursores de neurotransmisores. El paso de iones se hace a través de proteínas-canales, que son reguladas por señales químicas (neurotransmisores, hormonas o drogas) o por cambios en la diferencia de voltaje que caracteriza a la membrana, la cual es mantenida dentro de rangos muy estrechos por el trabajo de las bombas iónicas de origen proteico (bomba de Na+-K+, bomba de Ca2+). La mejor evidencia del papel selectivo de la membrana en la distribución de los iones en el citoplasma v/s el medio extracelular, es la concentración diferencial de tales iones en ambos ambientes, tal como lo

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detalla la tabla 2. Esta misma distribución asimétrica de los cationes (Na+ y K+) respecto a los aniones (Cl- y proteínas con carga neta negativa) es la base para comprender la causa del potencial de reposo. Tabla 2: composición iónica del medio intra y extracelular en una célula nerviosa

Actividad 8: Según los datos de la tabla 2, hipotetiza cuál es la tendencia de difusión que posee cada uno de los iones, es decir, ¿hacia dónde debería

tender a “irse” el K+? ¿hacia dentro o fuera de la célula? etc.

La concentración diferencial de iones a uno y otro lado de la membrana no exitada origina el potencial de reposo ¿Cuál es la causa del potencial de reposo? Los iones que existen en el citoplasma de la neurona tienden a distribuirse buscando igualar sus concentraciones con el exterior de la neurona. Ello se debe a que para cada especie iónica hay dos fuerzas que determinan su distribución: las diferencias de su concentración y la fuerza del campo eléctrico en el que se encuentran. Cada ión se comporta buscando entonces un equilibrio electroquímico. La gradiente de concentración empuja en un sentido y la fuerza eléctrica en el sentido opuesto. Figura 26 1.

Compartimiento extracelular Iones en el compartimiento extracelular (Na+:ión de sodio; K+:ión potasio; Cl-:ión cloro) 3. Membrana plasmática 4. Compartimiento

2.

-

citoplasmático (intracelular) A : aniones de origen proteico 5. Iones en el compartimiento Figura 27: Funcionamiento intracelularde la bomba de Na+ 6. Carga K+ positiva (+) que predomina en el lado externo de la membrana 7. Carga negativa (-) que predomina en el lado interno de la membrana

En condiciones de reposo la membrana es permeable solo al K+ porque es el canal para este catión el único que está abierto (figura 26). Como en el interior de la neurona (o de cualquier célula) existen aniones (A-), proteínas con carga negativa, el K+ se acumula en el interior tratando de

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neutralizar su carga. Hay mayor cantidad de K+ en el interior de la neurona. Existe entonces una fuerza que induce un constante flujo de K+ hacia el exterior, a través de los canales de K + abiertos. Pero la nube de K+ que tiende a salir de la neurona se acumula en el lado externo de la membrana dejando exceso de carga negativa dada por las proteínas, que actúa como una fuerza que los tiende a retener. Se produce entonces un equilibrio en el cual la cantidad de K + que sale es igual a la que se recupera, lo que explica la constancia del potencial de membrana. La recuperación de los iones K+ está dada por una proteína integral de membrana de alto peso molecular, que funciona como un transportador doble: de K+ hacia adentro y de Na+ hacia fuera. Como tal transporte se realiza contra el gradiente de concentración, requiere energía, la que es obtenida desde las mitocondrias neuronales. Las proteínas que realizan este tipo de transporte se denominan bombas, y ésta, en particular, se llama bomba de Na+ - K+ (figura 27) De esta manera, tenemos un escenario en el que existe una gran acumulación de proteínas negativas y iones potasio en el medio intracelular, respecto a un ambiente extracelular bajo en potasio. Simultáneamente, existen iones sodio y cloro, cuya sumatoria de cargas, sumado a la “falta de potasio”, origina una mayor carga positiva en el exterior. La polaridad de la membrana entonces, se traduce en una nube de cargas negativas en el lado interno y positivas al lado externo. Este es el origen del potencial de reposo. A modo de resumen, para entender el potencial de reposo deben tenerse presente dos hechos: o La bomba de sodio y potasio establece una gradiente de concentración de estos iones entre el medio extracelular y el intracelular. Al transportar sodio hacia afuera de la célula y potasio hacia adentro, mantiene una concentración intracelular de sodio 10 veces menor que la externa y de potasio 50 veces mayor que la externa. Gasta energía (ATP) para mantener esta gradiente química. o La membrana es permeable al potasio por que posee canales de potasio que están siempre abiertos, pero es mucho menos permeable a los iones Na+ y aniones como el Cl-. La alta concentración de potasio intracelular hace que este ión difunda por los canales hacia afuera de la célula, dejando atrás los aniones que no pueden at ravesar la membrana fácilmente. Así, el interior de la membrana se hace negativo respecto del exterior. (ver figura 28) Figura 28: Distribución asimétrica de los iones en el potencial

En definitiva, el sodio tiene una gran tendencia a entrar a la célula impulsado por su gradiente de concentración y por la atracción que ejercen las cargas negativas en el interior de la membrana. Sin embargo, el sodio no disipa el potencial de reposo por que los canales de sodio abiertos en reposo son muy pocos y, por lo tanto, la membrana es mucho menos permeable a este ión. Para que esto ocurriera, sería necesario abrir los canales de sodio que se encuentran cerrados… Figura 29 El potencial de acción es producto de activación y apertura de los canales de Na+

la

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Ya sabemos que un potencial de acción es un cambio instantáneo y temporal de la polaridad normal de la membrana axonal. Y conocemos cuál es el origen de la polaridad normal (la polaridad del potencial de reposo). En la figura 29 se explica lo que sucede con los canales iónicos cuando se produce un estímulo (mecánico, eléctrico o de otras naturalezas) en el axón. Cómo se plantea en el título de esta sección, el potencial de acción tiene su origen en la apertura de los canales de sodio. A partir de esta premisa, desarrolla la actividad 9: Actividad 9: Observa detenidamente la siguiente secuencia de eventos que ocurren durante los 3 milisegundos que dura el potencial de acción. Figura Interpreta y plantea 30 a la luz de las definiciones antes señaladas Figura 31 una explicación para cada una de las etapas de la curva bifásica del potencial de acción, que aparece detallada en la página 19. Nota importante: o A pesar que no aparece en el esquema, la bomba de Na+ – K+ se mantiene funcionando durante todo el proceso del potencial de acción o Los canales iónicos pueden ser de dos tipos: los de compuerta, que normalmente se encuentran cerrados durante el potencial de reposo y los sin compuerta, como el caso del canal de K+, que se mantiene abierto durante el potencial de reposo. Vale decir, el canal de K + que aparece abriéndose en el potencial de acción no es el mismo del potencial de reposo.

Actividad 9 (continuación)

Anota en tu cuaderno una explicación para cada una de las etapas de la gráfica que se produce a lo largo del potencial de acción, según los sucesos que se esquematizan en la figura 29:  Fase ascendente (depolarización)  Cruce de la polaridad neutra (0)  Fase descendente (repolarización)  Hiperpolarización (exceso de repolarización en fase descendente)  Vuelta al reposo (-70 mV)

Interpreta finalmente el siguiente gráfico sobre la permeabilidad de los iones Na+ y K+ a través de la membrana durante un potencial de acción:

Actividad 10:

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En el montaje experimental de la figura 31 se utilizó un par de microelectrodos conectados a un osciloscopio para detectar las diferencias de potencial eléctrico de los axones provenientes de receptores de presión en la piel y de fotorreceptores en el ojo, frente a estimulaciones de intensidad creciente. Para estimular los receptores en la piel se utilizó una pequeña sonda de punta redondeada y para los estímulos luminosos una linterna cuya intensidad de luz es variable. Preguntas: 1. ¿Qué variables de los potenciales de acción se mantienen constante en la medida que aumenta la intensidad del estímulo? ¿Cuál varía? 2. ¿Qué diferencias se notan entre los potenciales de acción generados a partir del estímulo mecánico respecto al luminoso? 3. Si consideras que no existen diferencias, ¿cómo es posible que el cerebro discrimine entre una sensación y otra? Dicho de otra manera, ¿por qué no confunde un roce de la piel con el color rojo?

3. Sinapsis y neurotransmisores La sinapsis química es una asociación estructural y funcional entre neuronas La sinapsis química es el sitio en que células vecinas se comunican entre sí a través de mensajes químicos, los neurotransmisores. A pesar del enorme número de sinapsis químicas que existen en el sistema nervioso y de la amplia variedad estructural que ellas ofrecen, en la organización de este tipo de sinapsis se pueden reconocer los mismos elementos básicos. Hay un elemento presináptico representado por un terminal nervioso, o una varicosidad o por el polo de liberación de mensajes químicos, que se observa en algunos tipos celulares, como algunas células sensoriales. La parte presináptica está separada por un espacio sináptico (20 a 40 nm) de la parte postsináptica, espacio que es atravesado por difusión por el neurotransmisor. La parte presináptica presenta una organización orientada a una función secretora altamente organizada que permite que el proceso de transferencia de la información represente un evento que dura alrrededor de fracciones de milisegundos (0.3 a varios milisegundos). Ella se caracteriza por la presencia de las vesículas sinápticas que almacenan el neurotransmisor y que se encuentran organizadamente ubicadas, ligadas al citoesqueleto, o en los sitios activos de liberación o involucradas en el proceso de reuso de las vesículas. Por ello, el aspecto y la ubicación de las vesículas ofrece variaciones. También se ubican en la parte presináptica, mitocondrias, elementos del citoesqueleto y estructuras membranosas relacionadas con el manejo de las vesículas en el terminal (endosomas). La composición de la membrana del terminal ofrece una gran complejidad ya que en ella se encuentran diferentes estructuras proteicas que cumplen funciones diversas e indispensables: canales iónicos (de sodio, potasio, calcio y cloro), bombas iónicas (bomba de Na+-K+; bomba de calcio), receptores, componentes de las membranas de las vesículas que quedan incorporados en la membrana del terminal después de la exocitosis, transportadores que permiten la recaptación del neurotransmisor liberado, proteinas que participan en la ubicación, fusión de las vesículas y formación del poro en el membrana presináptica a través del cual se libera el neurotransmisor.

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El espacio sináptico es una dependencia del medio interno con el cual está comunicado. Pero parece existir en él una compleja organización donde hay enzimas que pueden destruir al neurotransmisor, como es el caso de la acetilcolinesterasa en sinapsis del tipo “colinérgicas” y otros componentes cuyo papel se estudia intensamente. En la parte postsináptica se encuentran los receptores que reciben y son activados por el neurotransmisor. De las características de estos receptores y de sus interacciones depende no sólo el paso de la información a través de la sinápsis sino el que ella pueda ser modificada (plasticidad), mecanismo que parece representar la base de procesos como el aprendizaje y la memoria. Actividad 11: Según la descripción anterior y las indicaciones entregadas en clases, rotula las siguientes estructuras en la micrografía electrónica de la figura 33: o o o o o

Terminal pre-sináptico Terminal post-sináptico Hendidura sináptica Vesísulas sinápticas Mitocondrias

La sinapsis química neurotransmisores

vincula

le

membrana

pre

y

post-sináptica

mediante

El mecanismo de liberación de neurotransmisores es muy complejo y en él juega un papel fundamental el Ca+2. Por la llegada del potencial de acción al terminal nervioso se abren los canales de calcio presentes en la membrana del terminal y el ión entra por difusión. Se produce así en la inmediata vecindad al interior de cada canal una momentánea alza de la concentración del ión. Los canales se abren en el momento del “peak” del potencial de acción y el Ca +2 que entra genera un ambiente de elevada concentración del ión ubicado a corta distancia del punto donde debe ejercer su efecto, que es la vesícula sináptica inactiva. Se cree que el calcio no sólo propicia la liberación de las vesículas sinápticas, sino que tendría un rol importante en el traslado de las mismas hacia las zonas de la membrana presináptica que se utilizan para tal liberación.

25

Es importante recalcar que las vesículas no “salen” del botón sináptico. Cuando la vesícula se acerca al borde del botón sináptico, ambas membranas se funden como ocurre en cualquier otro proceso de exocitosis. De esta manera, sólo el neurotransmisor es despedido hacia la hendidura sináptica, mientras la membrana de la vesícula se hace parte del botón sináptico. De todas formas, la endocitosis que permanentemente recupera parte de los neurotransmisores antes liberados, garantiza que el botón mantenga su estructura y tamaño, y que exista un número adecuado de vesículas para el siguiente ciclo. Si el neurotransmisor no es recuperado mediante tales vesículas de endocitosis o endosomas, probablemente será degradado mediante enzimas específicas para cada tipo de neurotransmisor. Tal fenómeno es importante, pues si bien la sinapsis debe garantizar la comunicación entre neuronas, debe constituir un pulso discontinuo y muy breve. Si los neurotransmisores se quedaran permanentemente en la hendidura sináptica, podrían mantenerse unidos con los receptores de la membrana post-sináptica generando potenciales sin posibilidades de retroalimentación. En términos simples, costaría mucho deshacerse de un impulso una vez que se le da inicio. El desgaste energético sería enorme y la eficiencia del proceso, nula. Los receptores químicos de la membrana plasmática post-sináptica ubicados en el soma o en la región dendrítica son los que reciben la información que les llegan desde los terminales nerviosos pre-sinápticos que inervan la neurona. Es la naturaleza inhibidora o excitadora de esos receptores la que determinará si esa neurona será estimulada (aumento en ella de la generación de potenciales de acción) o será inhibida (disminución del número de potenciales que genera en reposo). En las sinapsis exitatorias, el neurotransmisor actúa aumentando la permeabilidad de la membrans post-sináptica a los iones sodio. El paso de Na+ desde el espacio sináptico determina una pequeña inversión localizada de la polaridad, generándose un potencial post-sináptico excitatorio (PPSE). Estos pequeños PPSE, por sí solos, no causan una depolarización en toda la membrana (de la dendrita o el soma post-sináptico), pero pueden sumarse para originar un potencial de acción que se autopropaga.

Figura 34 1. 2. 3. 4. 5.

Terminal nervioso Vaina de mielina Citoesqueleto Vesículas sinápticas inmaduras Vesículas sinápticas maduras (aptas para la exocitosis) 6. Vesículas sináptica en exocitosis 7. Neurotransmisor 8. Espacio o hendidura sináptica 9. Membrana presináptica 10. Eudosoma 11. Vesícula sináptica en recuperación 12. Canales de calcio

En la sinapsis inhibitorias, el neurotransmisor genera potenciales post-sinápticos inhibitorios (PPSI), los que refuerzan la polarización de la membrana post-sináptica. La hiperpolarización se produce por ingreso de iones Cl- a la neurona y a la salida de iones K+ al espacio sináptico. Para que el soma de una neurona pueda propagar efectivamente el potencial transmitido por otras neuronas, se requiere que se produzca el fenómeno de sumación de potenciales: se debe alcanzar una depolarización mínima, para desencadenar el potencial de acción

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autopropagado desde el cono axónico. Tal sumación puede ser espacial, por acumulación de PPSE provenientes de varios botones (de la misma o varias neuronas) o bien, temporal, por acumulación de PPSE provenientes de un mismo botón emitidos sucesivamente. Ahora bien, si simultaneamente el soma neuronal recibe PPSI (lo que suele ser más regla que excepción), la sumación de PPSE cobrará especial sentido, pues será necesario revertir la hiperpolarización inhibidora. Este juego que simula un interruptor es el que opera en los mecanismos de modulación neuromuscular explicados en las páginas 8 y 9 de la guía. Actividad 12: o Observa detenidamente el siguiente esquema que resume los principales eventos de la sinapsis química. Tu tarea consiste en anotar lo que sucede en cada una de las etapas numeradas, según las descripciones que se hicieron antes. o Luego analiza el esquema de la figura 36, identifica a qué número(s) de las etapas de la sinapsis química corresponde e intuye si se trata de una sinapsis exitatoria o inhibitoria. Justifica. Figura 35. Etapas de la sinapsis química: 1. ____________________________________________ _ 2. ____________________________________________ _ 3. ____________________________________________ _ 4. ____________________________________________ _ 5. ____________________________________________ _ 6. ____________________________________________ _ 7. ____________________________________________ _ 8. ____________________________________________ _

27

Figura 36

Actividad 13: o o o

Figura 37

Estudia la figura 37 y determina cuál de las dos neuronas se encuentra generando PPSE y cuál PPSI. Explica las diferencias entre R1 y R2 para cada uno de los potenciales propagados De acuerdo a la situación planteada, ¿se propagará o no el impulso nervioso?

Los neurotransmisores tienen distintas estructuras moleculares y actúan específicamente Actividad 14 En la siguiente tabla se detalla la estructura molecular de la mayoría de las sustancias que hoy se conoce poseen función neurotransmisora. Esto es, cumplen con todas las características antes señaladas

28

en el funcionamiento de la sinapsis química. En la página siguiente se presenta un cuadro en que aparecen las acciones de siete de estas sustancias. En base a las fuentes recomendadas, establece la relación correcta entre el neurotransmisor y la acción de que es responsable.

Acciones de los principales neurotransmisores Neurotransmisor

Acción

1.

Neurotransmisor de las neuronas motoras medulares y de algunas vías neuronales en el cerebro.

2.

Usado en ciertas vías nerviosas en el cerebro y en el sistema nervioso periférico; causa relajación en los músculos intestinales y contracción más rápida del corazón.

3.

4.

5.

6.

7.

Neurotransmisor del sistema nervioso central. Neurotransmisor del sistema nervioso central involucrado en el control del dolor, el sueño y el humor. Neurotransmisor excitatorio más común en el sistema nervioso central.

Neurotransmisores inhibidores. Usados por ciertos nervios sensoriales, especialmente en las vías del dolor.

Comentario - pista Se degrada en la sinapsis por la acetilcolinesterasa; bloqueadores de esta enzima son venenos poderosos. Relacionado con epinefrina.

Involucrado en la esquizofrenia. La causa de la enfermedad de Parkinson es la pérdida de neuronas que utilizan este neurotransmisor. Ciertos medicamentos que elevan el estado de ánimo y contrarestan la ansiedad actúan aumentando sus niveles. Algunas personas presentan ciertas reacciones al consumir alimentos que contienen glutamato de sodio, porque éste puede afectar al sistema nervioso. Drogas benzodiazepínas, usadas para reducir la ansiedad y producir sedación, imitan su acción. Sus receptores son activados por drogas narcóticas: opio, morfina, heroína, codeína.

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Los neuromoduladores son sustancias que modifican la capacidad sináptica de los neurotransmisores Casi todas las drogas que actúan en el cerebro alterando el humor o el comportamiento, lo hacen intensificando o inhibiendo la actividad de los sistemas neurotransmisores. La cafeína, la nicotina y las anfetaminas, estimulan la actividad cerebral en forma análoga a los neurotransmisores excitatorios en las sinapsis. La cloropromazina y los tranquilizantes relacionados bloquean los receptores de dopamina en muchos sitios, mientras que el ácido lisérgico -LSD- (un alucinógeno) inhibe la acción de la serotonina cerebral. Varios neuropéptidos, junto con otras sustancias neuroactivas, pueden desempeñar otro papel en la transmisión sináptica; no generar la señal transmisora sino regularla. Estas moléculas, que pueden ser liberadas de las mismas terminales axónicas que los neurotransmisores principales o de otras células, se conocen como neuromoduladores. Aunque éstos pueden moverse directamente a través de la hendidura sináptica, también pueden difundir a una distancia mayor, afectando a numerosas células dentro de una región local del sistema nervioso central. Al igual que los neurotransmisores, se unen a receptores específicos de membrana y alteran los canales iónicos o ponen en movimiento segundos mensajeros (moléculas mediadoras que fueron estudiadas en la estimulación de las hormonas peptídicas); sus efectos frecuentemente consisten en modular la respuesta de la célula a un neurotransmisor principal. Se han identificado hasta el momento más de 200 sustancias diferentes que funcionan como neuromoduladores. Estas incluyen las endorfinas, los interferones y las interleucinas, las hormonas liberadoras hipotalámicas, las hormonas hipofisarias, las hormonas de páncreas como la insulina, y hasta las hormonas digestivas gastrina y colecistocinina. Las dendritas y el cuerpo celular de una sola neurona pueden recibir señales -en forma de moléculas de neurotransmisor o neuromodulador- enviadas por centenares o hasta por miles de sinapsis. La unión de cada molécula a su receptor tiene cierto efecto en el grado de polarización de la célula postsináptica. Si el efecto es que el interior de la célula se vuelve menos negativo (depolarización) se dice que es excitatorio. Por el contrario, si el efecto es que se mantiene al potencial de membrana en valores cercanos al potencial de reposo, o aun, el interior se hace más negativo (hiperpolarización), se dice que es inhibitorio. Los cambios en la polaridad inducidos por los neurotransmisores y los neuromoduladores se extienden desde las sinapsis a través de la célula postsináptica al cono axónico, que es la región del axón en la cual puede originarse un impulso nervioso. Como ya se dijo, si el efecto colectivo es una depolarización suficiente como para permitir un flujo de iones Na+ tal que constituya el inicio de un potencial de acción, entonces comienza un impulso nervioso en el axón de la célula postsináptica y un nuevo mensaje es enviado velozmente a una multitud de otras neuronas con las cuales hace sinapsis el axón El procesamiento de la información que ocurre dentro del soma de cada neurona individual desempeña un papel central en la integración y en el control ejercido de manera conjunta por los sistemas nervioso y endocrino. Es afectado no sólo por los neurotransmisores y neuromoduladores específicos recibidos por la célula, sino también por su cantidad, el tiempo preciso de su llegada y las localizaciones en la neurona de las varias sinapsis y receptores. Actividad 15: o o o

Describe y compara la acción neuromoduladora de las encefalinas y la morfina, tal como se describe en la figura 38 ¿Podría decirse que las dos sustancias realizan la misma acción, pero lo hacen de distintas forma? Investiga: ¿cuál de las dos sustancias es producida por el cuerpo humano? ¿en qué situaciones? ¿cuál es el origen de la otra sustancia?

Figura 38. Acción de las encefalinas y la morfina en cierto tipo de sinapsis química

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Las drogas operan como neuromoduladores en la medida que estimulan o inhiben la actividad sináptica a distintos niveles del proceso. En la figura 39 se resumen las etapas de la función sináptica que pueden alterarse por drogas y se ejemplifica con dos sustancias ampliamente reconocidas como drogas: anfetaminas (como ejemplo de droga lícita) y cocaína (como ilícita) Figura 39. Etapas de la sinapsis química que pueden perturbarse por la presencia de drogas

31

Actividad 16: Observa detenidamente la figura 40, en que se muestra la manera en que fluctúan los potenciales de acción en distintas regiones de una neurona sensitiva, detectados por microelectrodos conectados a un osciloscopio. Tu tarea consiste en explicar cuál es la relación entre la intensidad de un estímulo (duración y amplitud), la frecuencia e intensidad de los potenciales de acción que se generan y la sinapsis correspondiente. Figura 40

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Actividad 17: Hasta aquí básicamente has aprendido dos grandes conceptos acerca del funcionamiento del sistema nervioso: o la información nerviosa viaja a través de circuitos constituidos por arcos reflejos o el mecanismo que permite transmitir impulsos nerviosos es el potencial de acción El siguiente esquema intenta integrar estas dos ideas. En tu cuaderno, redacta una descripción detallada y un título tentativo para esta figura:

Actividad 18 (optativa) Todas las explicaciones que se han entregado en torno a sinapsis, se relacionan con la sinapsis química. Y es que existe otra más: la “sinapsis eléctrica”. En la figura 42 se esquematiza una sinapsis eléctrica y se entregan algunas pistas de su funcionamiento. A partir de esta descripción, señala: o En qué se parece y diferencia con la sinapsis química o ¿Qué debería ocurrir con la velocidad de esta sinapsis en comparación con la química? ¿Por qué? o ¿En qué lugares del sistema nervioso deberían existir este tipo de sinapsis?

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El siguiente documento te será útil en la actividad 14 y también sirve de prólogo a la unidad sobre higiene mental, que se verá más adelante. Su lectura te aclarará varios aspectos en torno a la acción biológica de las drogas o más precisamente, “sicofármacos”.

Conociendo cómo sicofármacos”

actúan

las

drogas:

“los

Proteínas, blanco de la acción de muchas drogas Las drogas, los remedios o los fármacos son sustancias de origen natural o de síntesis química que modifican la actividad celular. Las drogas, como todas las moléculas, tienen una estructura definida por sus átomos; su conformación espacial cambia con el movimiento térmico molecular. Las drogas interactúan con las proteínas y otras macromoléculas de las células. La gran mayoría de las drogas se unen o asocian con las proteínas del cuerpo a través de fuerzas moleculares relativamente débiles, como las uniones electrostáticas, puentes de hidrógeno, o fuerzas hidrofóbicas. Esto significa que la unión de las drogas a las proteínas es transitoria, o reversible, ya que estas interacciones son relativamente inestables. La unión de las drogas depende de su estructura espacial, concepto que se conoce como unión estereo-específica. Esto quiere decir que la unión de las drogas a las proteínas, por ejemplo, no es sólo específica para cada molécula por su estructura sino que, además, la unión reconoce la orientación espacial de los átomos en cada molécula. Existen moléculas idénticas en estructura y composición, pero que sólo difieren en la orientación espacial de sus átomos. Estas moléculas se llaman isómeros ópticos o enantiómeros. Muchas proteínas del cuerpo reconocen los isómeros ópticos con diferencias de actividad entre 10 y 10 000 veces. Así por ejemplo, la hormona adrenalina tiene 2 isómeros ópticos: la L-adrenalina y la D-adrenalina. La L-adrenalina aumenta la frecuencia cardíaca en dosis 100 veces menores que la D-adrenalina. El cuerpo sólo sintetiza L-adrenalina, pero en los laboratorios químicos se sintetizan ambas. Como resultado de la unión estereo-específica de las drogas con las proteínas, éstas cambian la actividad funcional de muchas proteínas. La interacción de las drogas con las proteínas se puede traducir en aumento o disminución de su actividad biológica. Al conjunto de drogas que aumentan la actividad de enzimas u otras proteínas se las llama agonistas, mientras que aquellas drogas que inhiben la acción de las enzimas y otras proteínas se llaman antagonistas. Por lo tanto, los sicofármacos pueden ser agonistas o antagonistas.

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Las drogas tienen especificidad tisular Las drogas se unen en forma relativamente selectiva sólo a algunas macromoléculas, las que a su vez se localizan sólo en determinados tejidos, particularmente en algunos tipos de células. Por esta razón, la gran mayoría de las drogas son bastante específicas, especialmente cuando se usan en dosis bajas. Existen drogas que actúan modificando sólo el metabolismo bacteriano ya sea porque inhiben la síntesis de proteínas, o de los ácidos nucleicos, o de algunos metabolitos esenciales de éstas células. Al conjunto de estas drogas tan particulares se las llama comúnmente antibióticos y se usan en medicina para combatir enfermedades infecciosas causadas por las diferentes bacterias. Otras drogas presentan cierta especificidad por las células del corazón y se usan en medicina para aumentar la fuerza de contracción de este músculo o para modificar el ritmo cardíaco. Hay drogas que actúan en el riñón favoreciendo la eliminación de agua. Estas drogas son los diuréticos, compuestos que se usan desde hace muchos años en la práctica médica para tratar una serie de enfermedades. Los sicofármacos Una familia de drogas muy interesante afecta en forma relativamente exclusiva el funcionamiento del cerebro y por lo tanto del sistema nervioso. Muchas de estas drogas modifican la conducta tanto de los seres humanos como de los sujetos experimentales, es decir, los animales de uso corriente en los laboratorios de investigación: ratas, ratones o conejos. A la familia de drogas que actúan en el sistema nervioso central se las conoce como sicofármacos. Estas drogas afectan la “psiqué,” es decir, los estados de la mente. Sólo una parte de los sicofármacos, son drogas de abuso, es decir aquellas drogas que se consumen en forma compulsiva y desarrollan el fenómeno de la drogadependencia. Por ejemplo, drogas como la fenitoína o la carbamacepina, prototipo de medicamentos antiepilépticos, sin dudas son sicofármacos porque reducen la estimulación cerebral. Otro tanto sucede con los anestésicos generales que alteran el estado de conciencia. Sin embargo, a pesar de que los enfermos con epilepsia usan estas drogas por años, estos pacientes no se hacen dependientes de este tipo de drogas, como tampoco son dependientes las personas que fueron anestesiadas. El alcohol etílico, o el etanol, principio activo común a la cerveza, el vino, el pisco y tantas bebidas alcohólicas, también reduce la estimulación cerebral, pero a diferencia de las drogas antiepilépticas, causa rápida y muy severa droga-dependencia. Por lo tanto, el alcohol, a diferencia de las drogas antiepilépticas o los anestésicos generales, es un sicofármaco de abuso, es decir que produce adicción. Repasando las sinapsis, la acción de los neurotransmisores y sus receptores Hace aproximadamente cien años, el sabio español Santiago Ramón y Cajal, utilizando un primitivo microscopio examinó minuciosamente una infinidad de cortes cerebrales. Observó que las neuronas no estaban unidas entre sí. Estudios posteriores, con los poderosos microscopios electrónicos, precisaron que la unión entre neuronas denota un espacio físico particular constituido por los terminales especializados de las membranas de las células adyacentes. Uno de estos terminales, el llamado pre-sináptico se caracteriza por la presencia de una enorme cantidad de pequeñas vesículas, las que almacenan los neurotransmisores. Estas son sustancias químicas que usa la neurona para comunicarse con otra neurona. Se definió la sinapsis como el espacio interneuronal, el sitio donde ocurre la liberación de los neurotransmisores. La neurona, o la célula que recibe los neurotransmisores se llama neurona post-sináptica. Se han identificado numerosos neurotransmisores, tanto en el sistema nervioso central como en el sistema autonómico y los ganglios mientéricos. Estos son de naturaleza química muy diferente: algunos son aminas, mientras otros son ácidos. Algunos son aminoácidos, otros son lípidos, otros contienen azúcares, mientras otros son péptidos. Recientemente se han identificado 2 neurotransmisores que son gases muy sencillos. Uno de ellos es el óxido nítrico (NO), y el otro es el monóxido de carbono (CO). Todos los neurotransmisores se liberan en la sinapsis e interactúan con proteínas específicas llamadas receptores. La unión del neurotransmisor con su receptor gatilla una respuesta celular que activa o inhibe la neurona. Cada neurotransmisor

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interactúa con un o varios receptores que le son exclusivos, de la misma forma como las llaves abren una cerradura. Existen esencialmente dos tipos de receptores para neurotransmisores. Uno de ellos se caracteriza porque transporta iones al interior de la célula, mientras otra extensa familia de receptores está acoplada a la síntesis de mensajeros intracelulares. Por lo tanto, como consecuencia de la interacción de un neurotransmisor con su receptor, o se movilizan iones al interior de la neurona post-sináptica o se activa la síntesis de mensajeros intracelulares. Según la naturaleza del neurotransmisor y su receptor, el resultado del reconocimiento y unión de los neurotransmisores con su receptor hace que la neurona post-sináptica se despolarice (neurotransmisor excitatorio) o se hiperpolarice (neurotransmisor inhibitorio). Muchos sicofármacos se unen a estos receptores y activan o inhiben la sinapsis. Ejemplos clásicos son dos neurotransmisores ampliamente estudiados: la acetilcolina y el ácido gama aminobutírico o GABA. La acetilcolina es el neurotransmisor de la unión neuromuscular de los mamíferos, el transmisor químico que nos permite movilizarnos. En esta sinapsis, la acetilcolina interactúa con el receptor nicotínico, también conocido como el receptor de la placa motriz, para diferenciarlo de otros receptores nicotínicos localizados en los ganglios o en el cerebro. Este receptor es una proteína constituida por cinco subunidades que forman un canal iónico muy selectivo, pero no exclusivo, para el catión sodio. La unión de la acetilcolina a este receptor se traduce en un cambio en la conformación de este conjunto de proteínas lo que abre durante mili-segundos el canal, posibilitando la entrada de sodio al interior del músculo esquelético. La entrada de carga positiva al músculo lo despolariza iniciando el proceso de la contracción muscular. Por otro lado, el GABA interactúa con el receptor GABA-A, el cual es también una proteína con 5 subunidades que forma un canal selectivo para el anión cloruro. Cuando el GABA se une a su receptor, éste cambia la conformación del receptor y abre el poro del canal permitiendo la entrada de cloruros. Esto aumenta la carga negativa en la sinapsis e impide su despolarización. La acción de muchos sicofármacos ocurre a nivel de la sinapsis Investigaciones de eminentes farmacólogos y fisiólogos durante los últimos 30-40 años han permitido precisar que la acción de la gran mayoría de los sicofármacos ocurre a nivel de la sinapsis. Se conocen diversos mecanismos que explican cómo los sicofármacos pueden modificar la conducta humana. Uno de ellos es que en la sinapsis los sicofármacos son reconocidos y se unen a los receptores de los neurotransmisores. Otro mecanismo indica que los sicofármacos modifican el almacenamiento de los neurotransmisores en las vesículas sinápticas o interfieren con el sistema de reciclaje de éstos. Otros mecanismos incluyen la modulación del receptor donde actúan los neurotransmisores, o la acción de éstos en canales iónicos o de transporte de metabolitos esenciales. Un mecanismo de acción muy común de los sicofármacos es el de remedar la acción de algún neurotransmisor en los receptores de la sinapsis. Este efecto ocurre aparentemente porque existen grandes homologías estructurales entre la conformación espacial de los sicofármacos y los neurotransmisores. Esta similitud permite que los sicofármacos activen o inhiban los receptores para los neurotransmisores. Un ejemplo relativamente bien estudiado es el de la nicotina. Este alcaloide, el producto natural de la planta Nicotiana tabacum, imita la acción de la acetilcolina en los receptores nicotínicos. La nicotina llega al sistema nervioso y activa los receptores nicotínicos. Esto se traduce en cambios conductuales, porque aumenta la actividad de estos receptores en ciertas vías neuronales del cerebro. Otro tanto sucede con la morfina, el alcaloide de Papaver somniferum. Este poderoso analgésico reconoce y activa los receptores opioides del sistema nervioso porque imita la acción de las endorfinas, que son neurotransmisores de naturaleza peptídica. Todos estos ejemplos son de sicofármacos que actúan como agonistas. Existen otros sicofármacos que son antagonistas, es decir, inhiben la acción de los neurotransmisores. Un ejemplo de estas drogas es la estricnina, un alcaloide que es un poderoso estimulante del sistema nervioso que produce convulsiones. La estricnina antagoniza la acción inhibitoria del neurotransmisor GABA. Como resultado de la inhibición de estas sinapsis, predominan las sinapsis excitatorias que llevan a que los sujetos intoxicados con estas drogas presenten severos cuadros convulsivos. Otros sicofármacos como el diazepam y derivados, conocidos miembros de la familia de las benzodiazepinas, se unen a un receptor para benzodiazepinas que es parte del receptor GABA-A,

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facilitando la unión de GABA a este receptor. La activación del receptor de las benzodiazepinas hace que el canal de cloruro, que naturalmente abre el GABA, se abra más, aumentado la cantidad de cloruros que entran a la célula. Este mayor influjo de carga negativa impide que éstas se despolaricen, explicando el efecto inhibitorio de estos sicofármacos. Este aumento de inhibición, o hiperpolarización, explica la acción sedativa y ansiolítica de esta importante familia de sicofármacos. Los sicofármacos modifican redes neuronales cerebrales Para dilucidar cómo los sicofármacos modifican la conducta, no basta con entender la unión de estas drogas con receptores cerebrales. Es necesario explicar cómo esta acción modifica vías neuronales cerebrales comprometidas en la conducta. Las neuronas están organizadas en torno a redes. Por lo tanto, el bloqueo o la activación de una determinada sinapsis en un núcleo cerebral preciso, hará que se modifique no sólo esa sinapsis, sino la actividad de una red neuronal, ya sea que ésta se inhiba o se exacerbe. Los sicofármacos actúan en todas las sinapsis del cerebro a las que tengan acceso. El cambio conductual que se observa luego de administrar un sicofármaco es la actividad integrada de todas las sinapsis y redes neuronales que se modifican por la acción del sicofármaco, en todos los núcleos cerebrales donde este sicofármaco actuó. La cocaína es un poderoso estimulante que inhibe el mecanismo de reciclaje de un conjunto de neurotransmisores llamados las aminas biogénicas, que incluye a la noradrenalina, dopamina y la serotonina. Estos neurotransmisores están localizados en muchos núcleos cerebrales. La cocaína bloquea el mecanismo de transporte intraneuronal de todas las aminas biogénicas. De esta manera, la noradrenalina, la dopamina y la serotonina permanecen más tiempo en la sinapsis, activando de forma mantenida sus receptores. Como resultado de esta acción, aumenta significativamente la excitabilidad cerebral. Sin dudas, la cocaína exacerba todas las vías neuronales donde las bioaminas actúan. El mecanismo de la cocaína es semejante, pero no igual, al de numerosos antidepresivos del tipo de la fluoxetina y drogas símiles, las que también interfieren con el reciclaje de las bioaminas. El uso de fluoxetina durante meses ha resultado útil en el tratamiento de enfermos de depresión. El mecanismo definitivo de la acción de estas drogas es aún desconocido. Estos ejemplos demuestran que la acción de los sicofármacos es muy compleja, y que no ha resultado obvio entender cómo estas drogas modifican la conducta humana. Estos ejemplos apoyan la interesante conclusión de que los sicofármacos pueden aumentar la excitabilidad neuronal a través de dos mecanismos diferentes: 1) bloquear sinapsis inhibitorias, o 2) estimular sinapsis excitatorias. Por analogía, la acción inhibitoria de los sicofármacos se logra porque éstos aumentan la actividad de sinapsis inhibitorias o bloquean las excitatorias. Droga-dependencia El uso crónico de muchos sicofármacos, como la nicotina, el alcohol, las benzodiazepinas, la cocaína, etc., produce adicción. Es decir, el uso repetido de estas drogas evidencia la tolerancia y dependencia. Estas son dos condiciones complementarias que establecen las bases de la drogadependencia. La tolerancia se refiere al hecho de que con el uso crónico de un sicofármaco, la dosificación inicial se hace menos eficaz. Por lo tanto, se necesitan dosis mayores para experimentar los efectos iniciales de la droga. La dependencia se refiere, en cambio, a que el individuo necesita la droga y la busca en forma enérgica y compulsiva. Si este individuo no adquiere el sicofármaco, experimentará una serie de signos y síntomas que acusan su dependencia física y sicológica de la droga. La dependencia manifiesta el llamado síndrome de privación, que es un conjunto de signos y síntomas característico de la abstinencia de cada sicofármaco de abuso. Ambos fenómenos se desarrollan paralelamente. Si hay dependencia a un sicofármaco, también hay tolerancia y viceversa. El abuso de todos los sicofármacos desarrolla tolerancia y dependencia. Los sicofármacos que desarrollan más dependencia son la nicotina, la cocaína y el alcohol. Numerosos estudios demuestran que luego de 3-4 administraciones secuenciales de cocaína se produce dependencia. Otro tanto ocurre con la nicotina y etanol. Una vez que ésta se establece, es difícil liberarse de esta adicción, ya que la dependencia abre un apetito que busca desenfrenadamente la droga. Los adictos no pueden y temen dejar la droga; su ausencia despierta el síndrome de privación. El uso crónico de morfina y heroína no sólo produce dependencia, sino

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además una severa tolerancia, lo que lleva a escalar la dosis de estas drogas. En el caso de la heroína, la dosis de mantención de un individuo dependiente puede ser fácilmente 50-100 veces mayor que la dosis de uso inicial. Esta escalada en el abuso de la droga se puede desarrollar en cuestión de meses. Los mecanismos celulares que explican el desarrollo de la tolerancia y dependencia son aún desconocidos, aunque las bases moleculares de este fenómeno se investigan intensamente. Aparentemente la drogadependencia se relaciona con adaptaciones de las células blanco a la estimulación continua de sus receptores, lo que implica cambios en la expresión génica y la síntesis de proteínas particulares. Bases genéticas del alcoholismo Existen antecedentes respecto a que el alcoholismo tiene un componente hereditario que predispone al consumo del etanol. Tal vez esto también ocurre con otras drogas de abuso, pero esto aún no se sabe con certeza. Antecedentes fidedignos afirman que de padres alcohólicos nacen con mayor frecuencia hijos que de adultos serán alcohólicos. Este hecho no está relacionado con el ejemplo familiar, sino aparentemente con la existencia de genes que codifican para esta conducta. Se sospecha que existen al menos 7 genes que codifican para el alcoholismo. Se sabe, por ejemplo, que mellizos hijos de padres alcohólicos serán bebedores aunque ellos se críen separados en familias no bebedoras. Esta característica permite señalar con cierta convicción que el alcoholismo tiene una base genética que prima por sobre lo netamente social. La mejor demostración de las bases genéticas del alcoholismo la hizo un investigador chileno, el Dr. Jorge Mardones R. profesor de la Escuela de Medicina de la Universidad de Chile. Él desarrolló una cepa de ratas que son bebedores compulsivos de etanol. Separó las ratas bebedoras de las abstemias y ha mantenido una colonia de animales de investigación que han preservado esta característica por más de 100 generaciones de estos animales (más de 30 años). Las ratas desarrolladas por el profesor Mardones son famosas en el mundo científico que estudia las bases celulares del alcoholismo, y son un modelo extraordinariamente novedoso para estudiar la genética del alcoholismo. Siguiendo el ejemplo de este investigador, se estudia igualmente la genética que dispone a otras drogas de abuso. Sus resultados son aún incipientes, pero mostrarán frutos a corto plazo.

4. Vías aferentes y receptores sensoriales Los sistemas sensoriales son fundamentales en la coordinación entre el organismo y el medio Los sistemas sensoriales son conjuntos de órganos altamente especializados que permiten a los organismos captar una amplia gama de señales provenientes del medio ambiente. Ello es fundamental para que dichos organismos puedan adaptarse a ese medio. Pero, para los organismos es igualmente fundamental recoger información desde su medio interno con lo cual logran regular eficazmente su homeostasis o equilibrio interno. Para estos fines existen igualmente sistemas de detectores que representan formas distintas de receptores, con una organización morfofuncional diferente y que podemos llamar receptores sensitivos. Ambos grupos grupos de receptores están ligados a sistemas sensoriales/sensitivos que presentan un plan similar de organización funcional y ambos son capaces de transformar la energía de los estímulos en lenguaje de información que manejan los organismos (señales químicas, potenciales locales y propagados). Es decir, ambos grupos de receptores son capaces de transducir información. En cada sistema sensorial o sensitivo es fundamental la célula receptora. Es ella la célula transductora, es decir, la que es capaz de traducir la energía del estímulo en señales reconocibles y manejables por el organismo. Esas señales son transportadas por vías nerviosas específicas (haces de axones) para cada modalidad sensorial hasta los centros nerviosos. En estos, la llegada de esa información provoca la sensación y su posterior análisis, por esos centros nerviosos, llevará a la percepción. La sensación y la percepción son entonces, procesos íntimamente ligados a la función de los receptores. Los estímulos son cambios detectados de niveles de energía que se producen en los distintos sistemas físicos que rodean a cada organismo.

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Cada variedad de estímulo solo es detectado en un estrecho rango de su espectro. Pero para ello ocurra, el estímulo debe presentar una intensidad mínima (estímulo umbral). Pero más allá de ese nivel de intensidad los organismos son capaces de detectar modalidades de un mismo tipo de estímulo: de color, de sonido, etc.. Se pueden clasificar los receptores en grandes grupos: 1. receptores mecánicos 2. receptores químicos 3. receptores térmicos 4. receptores luminosos En los órganos receptores, las células receptoras o prolongaciones de ellas, se han adaptado para reconocer en forma específica el estímulo adecuado que las excita. En la figura 43, las flechas pequeñas indican los sitios donde actúan los estímulos y las mayores el sentido del flujo de la información. Las zonas punteadas indican los sitios donde se produce la transducción. Figura 43 1. Célula quimiorreceptora 2. Célula gustativa 3. Neurona olfativa 4. Receptores cutáneos: Corpúsculo de Pacini (receptor de presión profunda) y terminaciones nerviosas libres (receptores de dolor) 5. Huso muscular (receptor de contracción muscular) 6. Células pilosas (receptor de sonido) 7. Bastoncito (receptor luminoso) 8. Soma de la neurona sensitiva Gases como el O2, el CO2 y protones son estímulos específicos para quimiorreceptores ubicados en el sistema nervioso central y en vasos sanguíneos periféricos. Compuestos químicos derivados de los alimentos actúan sobre células gustativas que se agrupan en estructuras especiales de la lengua, las papilas gustativas. También se les encuentra en el paladar blando, en la faringe y en la parte superior del esófago. Tradicionalmente se ha descrito los receptores gustativos para cuatro sabores básicos: salado, dulce, ácido y amargo. Sin embargo, se sabe que se pueden distinguir una gama mucho mayor de sabores. Es en las células gustativas donde se realiza el proceso de transducción. Ellas se hallan rodeadas por células basales. Los estímulos químicos actúan sobre receptores ubicados en los cilios de las células gustativas desencadenando en ellas una serie de cambios que provocan, por el polo opuesto, la liberación de señales que estimulan a los terminales nerviosos que las inervan. Ellos son fibras aferentes que se dirigen al sistema nervioso central a través de tres nervios: el facial o VII° par craneano, el glosofaríngeo o IX° par y el nervio vago o X° par. El olfato depende de neuronas olfativas que son células bipolares que reciben estímulos de naturaleza química (odógenos) por el extremo donde presentan cilios olfativos. Por el otro extremo nace un axón amielínico que se dirige al sistema nervioso central. Los Corpúsculos de Pacini son terminaciones nerviosas encapsuladas que transducen estímulos mecánicos de presión. Se les encuentra en la piel y en órganos viscerales. Al ser estimulados generan potenciales de acción que van al sistema nerviosos central.

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En diversos órganos existen terminales nerviosos libres que son estimulados químicamente por substancias peptídicas que se liberan por efecto de estímulos nocivos que dañan la región. Desde esos terminales se originan potenciales de acción hacia el sistema nervioso central y la sensación que inducen es la de dolor. En los músculos esqueléticos se encuentran una variedad de mecano-receptores, las fibras intrafusales, que se ubican en una estructura llamada el huso muscular. El huso se orienta en paralelo con las fibras extrafusales, que son las responsables de la contracción muscular. En las fibras intrafusales hay terminales nerviosos que la envuelven en su parte central, son las terminaciones anulo-espirales. Cuando el músculo se estira, se alargan las fibras intrafusales y ese cambio en longitud, estimula a los terminales nerviosos, desde los cuales se generan potenciales de acción que se dirigen hacia la médula espinal. Células pilosas del oído interno son estimuladas mecánicamente por ondas de presión que actúan sobre el Organo de Corti donde inducen la formación de potenciales de acción, que codifican los estímulos sonoros que captan los oídos. Los conos y los bastoncitos son células especializadas de la retina que son estimuladas por las ondas luminosas. Pigmentos que se ubican en esas células son modificados por la energía de la radiación luminosa, generándose así una cadena de reacciones que llevan a la activación de la vía visual. Actividad 19: En las tablas que se adjuntan, se resumen los tipos de receptores, su ubicación y la sensación que producen. En base a esta información, analiza: 1. ¿Frente a qué tipo de estímulos los seres humanos no tenemos receptores? 2. ¿Qué significará que la sensación, en algunos casos, sea “indeterminada”? 3. ¿Existe alguna relación entre “indeterminación” de la sensación y origen del estímulo (medio externo o interno)? 4. Deduce qué sucedería si se produjera una falla en cada uno de los receptores que permiten sensaciones indeterminadas.

La visión es un sistema sensorial complejo, que permite formar imágenes

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La visión es una compleja forma de conducta, por la cual los organismos pueden percibir a distancias variables y en forma tridimensional, el mundo físico que les rodea. A través de complejos procesos, los organismos pueden extraer las características de los objetos de ese mundo físico, las pueden clasificar e interpretar la información que ellas proporcionan. En forma paralela y como parte del complejo proceso, son capaces, además, de integrar esa información y de reinterpretarla logrando así una apreciación de los objetos, es la percepción visual. El substrato físico de la visión está en el sistema visual. Este es un conjunto de órganos, vías y centros nerviosos, que permiten la captación, procesamiento y aprovechamiento de la información visual, lo cual lleva a alcanzar una percepción muy precisa del mundo físico que nos rodea. La entrada al sistema visual es el globo ocular. En este órgano ocurre el proceso de transducción de la información derivada del campo visual. Es decir, la energía electromagnética del estímulo representado por la imagen, se transforma en información codificada que se envía a centros nerviosos donde es procesada. Visto lateralmente desde el exterior, el globo ocular aparece como una esfera deformada, rodeada de una membrana blanca, la esclerótica, que en la parte anterior del ojo es transparente. Esta zona transparente tiene la forma de un disco ligeramente curvado, la córnea, a través del cual los rayos luminosos son orientados (refracción) para que caigan exactamente en la retina. Para coordinar los movimientos de cada globo ocular existe una serie de músculos unidos a la esclerótica, llamados músculos extrínsecos. Detrás de la córnea existe una cavidad, la cámara anterior del ojo, llena de un líquido nutritivo para la córnea, el humor acuoso. Hacia el interior del ojo, esta cámara está limitada por una membrana circular de tejido muscular, el iris, que deja en su centro una apertura circular, la pupila. Gracias a su musculatura, el iris puede regular el diámetro de la pupila regulando así el paso de luz que llega a la retina. Detrás del iris y de la pupila excite un lente, el cristalino, que permite el enfoque fino de la imagen en los fotorreceptores de la retina. Pero la luz, después de atravesar el cristalino debe cruzar una segunda cavidad o cámara antes de alcanzar a la retina. Esa cámara está llena de un líquido llamado humor vítreo y su pared esta limitada por una membrana, la retina. Tanto la retina como la esclerótica reciben irrigación sanguínea mediante una capa intermedia llama coroides. Todas las fibras nerviosas que surgen de la retina, convergen en un solo haz de neuronas que estructuran el nervio óptico. Por esta vía, la información capturada en la retina viajará en forma de impulsos nerviosos hasta la corteza cerebral. Actividad 20: Rotula el siguiente esquema del globo ocular humano, según las descripciones anteriores:

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Figura 45: Estructura de la retina del ojo humano. Figura 44 Nótese que las células fotorreceptoras están ubicadas en la parte más profunda de la retina, razón por la cual, las fibras que originanA.el nervio óptico emergen de células dispuestas en la parte más expuesta. ___________________________ B. ___________________________ C. ___________________________ D. ___________________________ E. ___________________________ F. ___________________________ G. ___________________________ H. ___________________________ I. ____________________________ J. ____________________________ La retina presenta varias capas celulares en una de las cuales se encuentran los fotorreceptores, los conos y los bastoncitos (ver figura 45). En ellos ocurre el proceso de transducción. En otra de las capas se encuentra las células ganglionares que se comunican con las células receptoras a través de las células bipolares. Son los axones de las células ganglionares los que constituyen el nervio óptico, que sale de cada globo ocular. Los nervios ópticos alcanzan al quiasma óptico, estructura en la que se produce el cruce de parte de los axones de las células ganglionares al lado opuesto. Los axones que salen del quiasma óptico, forman los llamados los tractos ópticos los cuales se dirigen a los tálamos correspondientes. Los axones que llegan al tálamo hacen relevo de la información en neuronas talámicas. Estas, a través de sus axones, inician una vía que va a terminar en la corteza cerebral del polo occipital. Es el área visual primaria o corteza estriada.(figura 46)

Figura 46. Vías visuales 1. Globo ocular derecho 5. Tálamo izquierdo 2. Nervio óptico del ojo 6. Vías que unen el tálamo derecho con la corteza

8. Margen izquierdo del campo visual del ojo izquierdo 9. Margen derecho del campo visual del

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3. Cerebro (corteza) 4. Tracto óptico derecho

7. Corteza visual primaria

ojo izquierdo 10. Campo visual del ojo izquierdo

La percepción visual supone correcciones e interpretaciones surgidas de la integración visual Dicho llanamente, vemos con el cerebro. Lo que llamamos vista no es sino el resultado final del viaje de la luz transducida por la retina en impulsos nerviosos que llegan a la corteza cerebral. Nada más. Sin embargo, no solo vemos objetos y personas, sino que las reconocemos como tales. Las imágenes serían composiciones creadas por el cerebro a partir de las variaciones de luz y sombra reflejadas por los objetos: la retina registraría las distintas longitudes de onda (para poder discriminar colores) e intensidades de la luz y las traduciría en potenciales de acción con una frecuencia y vía de transporte específico. La corteza decodificaría de tal forma que las imágenes surjan como reinterpretaciones de tal código enviado por la retina. Por Figura 47: Ilusión lo mismo, cabe preguntarse si vemos el mundo tal como es en óptica clásica. La vieja realidad. narigona se transforma La integración visual supone correcciones de lo que en una joven de rasgos efectivamente llega a la retina. Por ejemplo, las imágenes que llegan a finos (o la joven se la retina son planas, pues si bien la retina presenta la curvatura propia transforma en vieja) del globo ocular, la luz se proyecta en forma bidimensional. Sin embargo, nuestra percepción visual es tridimensional, aún cuando se utilice un solo ojo para ver. Los ajustes que realizan los circuitos neuronales de la corteza visual establecen lo que entendemos por realidad visual. Más aún, la integración visual supone conexiones con otras áreas del cerebro que aportan nueva información para otorgarle el sentido más completo posible a lo que se ve. De esta manera, como las experiencias de dos personas difícilmente serán las mismas, la percepción que tengan del mismo objeto visto, suele ser ligeramente diferente. Eventualmente, la información que el cerebro integra produce percepciones extrañas de la “realidad”. Esto ocurre en forma frecuente. Por ejemplo, frente a un objeto particular, el cerebro se concentra en aportar una percepción integrada del objeto, según los

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elementos que registra la visión. Cada vez que vemos un objeto que tiene dos o más interpretaciones, el cerebro tiene dificultad para integrar ambas en forma simultánea y mostrará alternativamente una u otra. Por lo que se explicaba más arriba, una persona podría ver una primero y otra persona, con experiencias previas distintas, podría integrar primero la otra. Un ejemplo de esto se ve en el clásico dibujo de “la vieja y la joven”, que aparece en la figura 47. Todas las imágenes que requieran un esfuerzo de interpretación o produzca confusiones en lo que finalmente se percibe, se dice que son ilusiones ópticas. Aunque, en términos estrictos, casi todo lo que vemos es una ilusión óptica, en la medida que requiere de una permanente adecuación entre lo que se ve, lo que el cerebro interpreta y lo que finalmente se percibe. Actividad 21. Analizando ilusiones ópticas Revisa las siguientes imágenes, deduciendo el mecanismo de interpretación o integración que se ve afectado o resaltado en cada caso.

Fig. 48a ¿De qué tamaño es Javier?

Fig. 48c ¿Sólo puntos?

Fig. 48d Jarrón real

Fig. 48e ¿Ancho o alto?

Fig. 48b ¿Qué buscará?

Fig. 48f ¿Existe el cuadrado?

Fig. 48g ¿Cuántas patas?

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Figuras 48h y 48i. Dos obras del artista M.C. Escher. Arriba: “Cóncavo y convexo”. A la derecha, “Escalera” ¿Dónde queda arriba? ¿Qué está hacia fuera? ¿Sería posible?





Fig. 48j. Aleja la guía a unos 30 cm de tu vista. Tápate el ojo izquierdo y mira atentamente al gato con el ojo derecho. ¿Qué sucede con el pájaro cuándo acercas lentamente la guía?

Fig. 48l. ¿Cuántos espirales hay?

Fig. 48m. Cuenta los puntos negros

Fig. 48k. Verlo a color por 30 segundos y mirar rápidamente un fondo blanco

Fig. 48n. ¿Son paralelas las horizontales?

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En torno a la experiencia del punto ciego (el gato y el pájaro), es importante destacar al menos dos hechos interesantes. Primero: normalmente no experimentamos en nuestra visión un área ciega, lo cual es una evidencia de la complejidad del procesamiento para producir la visión. La luz que proviene de un sólo punto en el campo visual binocular entra a ambos ojos y no experimentamos el punto ciego. El punto ciego es un lugar donde “vemos” lo que no existe en la retina. En segundo lugar, cabe preguntarse ¿qué le pasa a una persona cuando tiene un daño en la retina? La persona generalmente no es consciente de este daño por el mismo motivo que no vemos el punto ciego, a menos que se le haga un examen especial. El punto ciego se experimenta como que no hay nada y no como un punto oscuro. Así sería la ceguera. En la misma línea, la siguiente actividad intenta predecir y analizar las predicciones en torno a lesiones en diferentes niveles de las vías visuales y la correspondencia en el tipo de ceguera. Actividad 22: Efectos de las lesiones en las vías ópticas sobre el campo visual o Estudia esquema de la figura 49, similar al de la figura 46. En el caso que se ejemplifica se ha cortado el nervio óptico izquierdo (1), lo que en el esquema de la derecha se muestra como ceguera en el ojo izquierdo. Ten presente que las fibras nerviosas de la retina interna o nasal se cruzan al lado contrario, mientras que las fibras de la retina externa o temporal, se mantienen siempre en el lado correspondiente. o Predice el efecto que tendrán las secciones 2, 3 y 4, oscureciendo los campos visuales correspondientes

Lo que define a una célula receptora es su capacidad para traducir estímulos ambientales en señales neuronales En la figura 45 se señalaba la organización general de la retina, enfatizándose el rol fundamental que les toca a las células fotorreceptoras: conos y bastoncitos en la captación de la señal luminosa. En la siguiente tabla se resumen una serie de características de estos dos tipos de fotorreceptores.

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Los pigmentos visuales a los que se alude se originan a partir de la combinación de vitamina A y una proteína sintetizada por las mismas células receptoras. Tales moléculas sensibles a la luz, se ubican estratégicamente en unas estructuras con formas de discos que se disponen en forma escalonada a lo largo del bastoncito o el cono, tal como lo muestra la figura 50. La idea es que los discos puedan captar la luz con máxima eficiencia. Si un disco deja pasar algo de luz, el siguiente disco podrá captarla. Cada disco puede llegar a contener cerca de 108 moléculas de pigmento.

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Cuando la luz estimula los pigmentos, se alteran los flujos de iones específicos generándose depolarizaciones locales. Cuando tales depolarizaciones se acumulan, se producen desequilibrios en el potencial eléctrico de la membrana del receptor. Mediante sinapsis, estos potenciales convergen en células ganglionares (ver figura 45), las que se encargan finalmente de traspasar tales impulsos a neuronas sensitivas que forman el nervio óptico y transportan la señal hacia el cerebro. Actividad 23: Hipotetizando el mecanismo transduccional La cadena de pensamiento anterior lleva a la siguiente pregunta: ¿cómo es posible que la estimulación de un pigmento mediante la luz pueda provocar un potencial de acción. La actividad que se propone es simple: sugiere un mecanismo hipotético, en base a tus conocimientos sobre membrana, potenciales y algún recuerdo de los mecanismos utilizados por sustancias que llevan información desde la membrana hacia regiones más internas de la célula (2º medio: traducción de la señal hormonal) y intenta completar el esquema adjunto utilizando el espacio disponible en el rectángulo punteado. Tu explicación tentativa puedes anotarla en el espacio inferior. La pregunta de fondo es ¿qué será lo que media entre el pigmento estimulado y el canal de sodio?

___________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________ ________________________ Cada tipo de receptor presenta mecanismos transductores específicos En el proceso de transducción la energía del estímulo es transformada en una señal bioeléctrica. A pesar de los diversos tipos de receptores que existen, su estimulación produce siempre el mismo resultado: la modificación de canales iónicos de membrana. Esto se traduce, a su vez, en cambios en el potencial de reposo en una región dada o en toda la célula sensorial. Es el potencial receptor. En la figura 51 se esquematizan los mecanismos de transducción de cinco receptores distintos. Pueden ser tan simples y directos como el caso de los mecanorreceptores (por ejemplo, el corpúsculo de Pacini de la piel) o más sofisticados como el fotorreceptor. Compara a este último con tu hipótesis de la actividad 23.

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5. Vías motoras y funcionamiento muscular Las vías motoras pueden coordinar efectores somáticos y una gran gama de efectores autónomos Los impulsos nerviosos generados en la superficie sensorial son conducidos a través del sistema nervioso periférico al sistema

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nervioso central. Los impulsos nerviosos generados en el cerebro y la médula espinal llegan al sistema motor. El sistema nervioso tiene componentes somáticos y autonómicos (ver figura 52). El sistema somático incluye: a) las neuronas sensitivas que inervan la piel, los músculos, y las articulaciones. Lleva impulsos nerviosos sensoriales de postura corporal y del medio externo; b) las neuronas motoras, que inervan el músculo esquelético. La división autonómica del sistema nervioso periférico controla los músculos lisos (de los vasos sanguíneos, tubo digestivo, vejiga, etc.) y las glándulas exocrinas (sudoríparas, sebáceas, gástricas, etc.). Participa en las respuestas al estrés y en la homeostasis. Aún los comportamientos más simples involucran la actividad integrada de múltiples sistemas sensoriales, motores y de zonas integradoras en el sistema nervioso central. Cada uno de estos sistemas contiene estaciones sinápticas y cada uno está compuesto por subdivisiones distintas. Las vías nerviosas tienen una ordenación topográfica en base a su función. Muchas rutas se cruzan desde un lado para el otro del cuerpo.

Sistema nervioso central: encéfalo y médula

Neuronas sensitivas

Receptores sensoriales

Sistema somático

Efectores: Musculatura esquelética

Neuronas motoras Sistema parasimpático Sistema simpático Sistema autónomo

Efectores: musculatura lisa y cardiaca; glándulas

El sistema nervioso autónomo se organiza en base a grupos de nervios de funciones opuestas El sistema nervioso autónomo es el encargado de controlar a los efectores viscerales. Tradicionalmente, se le describe por sus componentes nerviosos periféricos (ganglios, nervios y plexos) y se distinguen en él dos divisiones: la simpática y la parasimpática. La división simpática esta formada por neuronas (primera neurona) que se ubican en la médula espinal entre las vértebras T1 y L1-2, por sus axones y por dos sistemas ganglionares, donde se encuentran segundas neuronas, son sus axones los que inervan a los efectores viscerales. El primer sistema de ganglios está formado por los ganglios paravertebrales, que se unen entre sí formando una cadena ganglionar que se ubica a cada lado de la columna vertebral

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en el fondo de las cavidades del tronco. El segundo sistema es el de los ganglios prevertebrales, se ubican en un plano más anterior. El axón de la primera neurona sale de médula espinal a través del nervio raquídeo que corresponde al nivel de su ubicación en ella y luego lo abandona para alcanzar la cadena ganglionar de su mismo lado. Entra en un ganglio donde, o hace sinapsis con la segunda neurona de inmediato o asciende o desciende antes de contactarla a otro nivel o sigue en su trayectoria hasta un ganglio prevertebral donde encuentra a esa segunda neurona. La división parasimpática presenta dos subdivisiones: la craneana y la sacra. La primera esta representada por los pares de nervios craneanos III, VII, IX y X (Vago). La segunda por los nervios raquídeos que emergen de las regiones sacra y coccígea de la columna vertebral. En ambas subdivisiones, la primera neurona se ubica en el sistema nervioso central y presenta un axón muy largo que inerva a la segunda neurona. Esta, es como una interneurona, de axón muy corto, ubicada en la pared misma del órgano visceral que inerva. Actividad 25: Funciones autónomas Observa los órganos que reciben inervación simpática y parasimpática en la figura 53 y resuelve los siguientes problemas: a) ¿Qué órganos reciben inervación simpática y parasimpática? ¿Qué órganos sólo reciben inervación simpática? b) Si se dañara la médula de la región torácica, ¿qué funciones autónomas podrían comprometerse? c) Las funciones simpáticas son las que facultan a una persona para reaccionar eficientemente en situaciones estresantes. El sistema parasimpático, en cambio, permite devolver al organismo a la situación de normalidad. Como la mayor parte del tiempo, el cuerpo humano no tiene que enfrentarse a situaciones que impliquen “acción”, son las funciones parasimpáticas las que mantienen un nivel de actividad basal. Según esta descripción, completa el cuadro con el signo “+” si piensas que la

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función se estimula y con un “-“ si crees que la función de ese órgano se inhibe. En el caso que sea posible, detalla cuál es la consecuencia directa de la estimulación del órgano.

Órgano

División simpática 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. ----8. 9. 10. 11. 12.

División parasimpática 13. 14. --15. 16. --17. 18. 19. --21. --22. 23.

Cuadro para completar funciones autónomas

La unión neuromuscular permite que una sinapsis de origen a la contracción muscular La unión neuromuscular básicamente es una sinapsis entre un botón sináptico de una neurona motora y una fibra muscular. En ese sentido, se cumplen todos los criterios estructurales y funcionales de una sinapsis, con la única salvedad que el efecto de la depolarización de la membrana postsináptica no es la propagación de un nuevo potencial de acción, sino, la estimulación de la contracción de la fibra muscular.

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En la figura 54 se muestra una foto en que un nervio deja salir diversas ramificaciones terminales en la frontera de un grupo de fibras musculares esqueléticas, configurando lo que se llama “placa motora”. Cada ramificación termina en un botón que se interna en cada fibra con el fin de establecer uniones neuromusculares.

Los músculos representa un grupo fundamental de órganos efectores. Su función específica es el desarrollo de fuerza, utilizando la energía bioquímica almacenada en moléculas como la glucosa la cual se aplica, en diferentes órganos, en una variedad de funciones. Por ejemplo: • en la pared de órganos tubulares (vasos sanguíneos, ureteres, oviducto, conductos excretores) los músculos lisos permiten la ejecución movimientos coordinados de la pared de esos órganos, iniciados por estímulos generados en estructuras marcapasos. Estos movimientos determinan el traslado del contenido de esos órganos. • En órganos como el corazón, el músculo cardíaco forma una pared gruesa que al contraerse eleva la presión de volúmenes de sangre que son expulsados en forma intermitente. Se genera así una gradiente de presión que es fundamental para la circulación sanguínea. • En las extremidades y en el cuerpo se encuentran los músculos somáticos, llamados también esqueléticos o estriados. Parte de estos músculos se insertan en el tejido óseo de las extremidades y de otras regiones del cuerpo y su actividad permite mantener y regular la postura del cuerpo y generar los movimientos. La contracción del músculo esquelético supone un cambio en la organización de su unidad estructural, el sarcómero El músculo esquelético esta formado por células musculares, llamadas fibras musculares, que son cilíndricas, de 10-100 um de diámetro y una longitud de hasta 20 cm. Cada una esta rodeada de una membrana plasmática (sarcolema) y en su citoplasma (sarcoplasma) pueden encontrarse varios núcleos y mitocondrias. Una de las estructuras más características de estas células altamente especializadas, son las miofibrillas. Cada una es un cilindro alargado formado por la unión de muchos cilindros cortos (1.5 –3.0 um de longitud) los sarcómeros. Ver figura 55.

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Cada sarcómero esta separado de su vecino por una placa o banda de separación, la banda o línea Z. El sarcómero existe, entonces, entre dos bandas Z. En cada sarcómero, se insertan en esa banda Z, dirigiéndose hacia el centro del respectivo sarcómero un conjunto de filamentos delgados, los filamentos de actina. Esos filamentos ocupan el extremo de cada sarcómero. En el centro del sarcómero se ubica, un conjunto de filamentos gruesos, de miosina. Esta distribución alternada de filamentos gruesos y delgados le da a la fibra muscular esquelética el aspecto estriado que se caracteriza porque en cada sarcómero la zona central se ve obscura (banda A) y rodeada, a cada lado, de dos bandas claras (bandas I). Ver figura 56.

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Los mecanismos y procesos moleculares y celulares que explican la contracción muscular en el músculo esquelético ocurren en el sarcómero de la miofibrilla. La comprensión de ellos depende del entendimiento de la organización de la estructura del sarcómero y de los cambios que sufre tras la estimulación sináptica. En un experimento imaginario armemos primero un sarcómero ideal. 1) Recordemos que la miofibrilla es un conjunto de compartimientos cilíndricos que se van ubicando uno al lado del otro, constituyendo un cilindro alargado. Cada uno de esos cilindros es un sarcómero y limita con su vecino por una línea o banda llamada, línea o banda z. 2) A cada lado de la línea z se insertan filamentos cilíndricos delgados que son los filamentos de actina. Cada filamento de actina esta formado por una doble hebra de moléculas de actina que se enrollan una sobre la otra. 3) En el centro del sarcómero se insertan filamentos gruesos, de miosina. Cada uno de estos filamentos está formado por 150 a 360 moléculas de miosina. 4) Cada molécula de miosina presenta una cola que se continua con un segmento llamado cuello que a su vez se une a una estructura de la molécula llamada cabeza. El segmento de unión de la cola con la porción cuello-cabeza parece funcionar como una articulación y tiene cierto grado de movimiento. Cada cabeza tiene ATP. 5) El sarcómero presenta en su centro una zona más obscura (banda A) formada por las bandas de miosina que esta separada, a cada lado, de las bandas z, por una zona más clara (banda I) ocupada por los filamentos de actina. En reposo, los filamentos de miosina están rodeados ordenadamente por filamentos de actina de modo que en los extremos de la banda A ambos tipos de filamentos coinciden aunque permanecen separados. Ello ocurre porque sobre los filamentos de actina se ubican dos proteínas, la troponina y la tropomiosina que constituyen un complejo que evita esa unión.

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6) La troponina es una proteína globular que se ubica sobre el filamento de actina. Cada troponina posee tres subunidades: una que tiene afinidad por el Ca 2+ , otra que está unida a la tropomiosina y una más, que inhibe la formación de puentes entre la miosina y la actina. (aquí comienza la explicación del mecanismo de contracción propiamente tal) 7) Cada vez que llega un potencial exitatorio, se estimula la liberación de Ca++ por parte del retículo sarcoplásmico. Cuando aumenta la concentración de calcio en el sarcoplasma, este se une a la troponina, lo cual provoca un cese del bloqueo ejercido por la tropomiosina y se forma un complejo actina- miosina el cual, estructuralmente, aparece como un puente. 8) Al formarse el puente se activa la capacidad ATPásica de la cabeza de la miosina y el ATP presente en la cabeza de la miosina se disocia en ADP + Pi 9) La salida de fosfato de la cabeza de la miosina provoca un giro o un movimiento de la cabeza lo cual hace que se desplace el filamento de actina a lo largo del de miosina hacia el centro del sarcómero. Esto significa que las bandas z también son arrastradas hacia el centro del sarcómero resultando en un acortamiento de esta estructura. Ello se traduce en una reducción o desaparecimiento de las bandas I. 10) El ATP que se perdió de la cabeza de la miosina es recuperado a expensas del ATP del sarcoplasma. Al ocupar este su posición, la cabeza de la miosina se suelta de la actina y el sarcómero recupera su longitud inicial. Si ello no ocurre, es decir, cuando por alguna razón (muerte por ejemplo) no se repone el ATP en la cabeza de la miosina se presenta el fenómeno de rigidez. Caso de estudio de la inervación autónoma: el control de la ventilación pulmonar El sistema nervioso autónomo representa un sistema de control de efectores viscerales, involuntario, que junto con el sistema endocrino y el hipotálamo mantiene la homeostasis. Para cumplir esa tarea, este sistema maneja mecanismos de realimentación negativa que se ejercen principalmente sobre el hipotálamo. En la actualidad se consideran tres divisiones en la organización morfo-funcional del sistema nervioso autónomo: la simpática, la parasimpática y la entérica. Sin embargo, esta última suele considerarse bajo el control de la división parasimpática. Desde el comienzo se definió al sistema nervioso autónomo como una subdivisión del sistema nervioso dotada de una gran independencia, a tal punto, que se le ha considerado como un sistema que se autorregula. Ello se explica en parte, porque se considera a la actividad refleja como la base de su funcionamiento de este sistema. Es el reflejo autonómico, cuya base anatómica (arco reflejo) ha sido bien caracterizada en la mayoría de los casos. Las vías aferentes se originan en receptores sensitivos ubicados en las vísceras y los axones que las constituyen viajan al sistema nervioso central por vías que pertenecen a la parte periférica del sistema nervioso autónomo y donde también se encuentran fibras motoras ya sea simpáticas o parasimpáticas pero que son eferentes. Se presenta, entonces, a nivel anatómico una interacción entre ambos sistemas. Así, por ejemplo, una descarga simpática hacia afectores cardiovasculares puede provocar una elevación de la presión sanguínea mediado por taquicardia y/o vasoconstricción. Esta perturbación (elevación de la presión) es detectada por barorreceptores ubicados en los vasos sanguíneos. Esos receptores son fibras nerviosas que se dirigen al sistema nervioso central incorporados al nervio vago (por definición como fibras parasimpáticas) y llevan la información a centros nerviosos vagales, que al ser excitados, generan por la vía parasimpática vagal (ahora eferente) que inerva al corazón actividad inhibidora sobre el corazón, bradicardia, lo cual provoca un descenso de la presión. Se maneja así, con esta forma de interacción, una regulación automática, refleja, inconsciente de la presión.

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Actividad 26: Análisis del control autónomo de la ventilación pulmonar Analiza el siguiente esquema en base a las descripciones entregadas más arriba. Identifica los componentes del arco reflejo autónomo y el mecanismo retroalimentador que le permite autorregularse.

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