A diferencia de la electricidad tradicional generada por el movimiento de electrones libres, las neuronas generan señales eléctricas a través del movimiento de iones a través de las membranas celulares.
Cuando abrimos nuestro libro de biología de la escuela secundaria, a menudo nos encontramos con un capítulo sobre el «Sistema Nervioso Central» o «El Cerebro Humano». El capítulo explica que las neuronas, o células nerviosas, son los componentes principales del sistema nervioso. Envían y reciben señales eléctricas de los órganos sensoriales, permitiendo la comunicación con el cerebro. El libro también puede mencionar que hay más de 86 mil millones de neuronas en el cerebro humano.
Sin embargo, el libro normalmente no se adentra en los detalles de cómo las neuronas generan realmente estas señales eléctricas. Aunque podemos recordar términos como dendritas, axones y sinapsis, las complejidades del proceso de comunicación pueden haber sido difíciles de entender en la escuela secundaria.
Anatomía y función de las neuronas
Antes de sumergirnos en el intercambio constante de información entre el cuerpo y el cerebro, repasemos lo básico de las células nerviosas. Las neuronas, junto con las células gliales, constituyen el sistema nervioso central. Las células gliales, a menudo denominadas Robin al Batman que representan las neuronas, no participan directamente en el intercambio de información entre las neuronas. Sin embargo, desempeñan un papel crucial en la definición de contactos sinápticos y en el mantenimiento de las habilidades de señalización de las neuronas.
Nada sucede en Ciudad Gótica sin que Batman lo sepa; de manera similar, nada sucede en nuestro cuerpo sin el permiso de nuestras neuronas.
Por otro lado, las neuronas son como el Batman de la Ciudad Gótica del cuerpo humano. Nada sucede sin que las neuronas estén conscientes de ello. Al igual que cualquier otra célula, las neuronas tienen un cuerpo celular (soma) que contiene el núcleo. Se extienden desde los lados opuestos del soma varias ramas o estructuras similares a dedos. La protrusión más larga se llama axón, mientras que las ramificaciones más pequeñas en el otro lado del soma se llaman dendritas, como se muestra en el siguiente diagrama.
Estructura de la neurona. Descripción de la anatomía de la neurona del cerebro. (Crédito de la foto: ShadeDesign/ Shutterstock)
Una neurona consta de tres partes principales: dendritas, cuerpo celular (soma) y axón. La transferencia de información ocurre entre las dendritas y el axón.
Las neuronas llevan a cabo la tarea crítica de transmitir información por todo el cuerpo humano en tres pasos. Primero, reciben señales o información de los órganos sensoriales. Si la señal es lo suficientemente fuerte, las neuronas generan un potencial de acción (electricidad) para transmitir la señal a la siguiente neurona. Finalmente, este impulso llega a las células objetivo u otras neuronas.
Ahora, abordemos la pregunta importante que motivó este artículo… ¿Cómo se logra esta comunicación?
¿Cómo generan electricidad las neuronas?
Las células nerviosas transfieren información utilizando tanto señales eléctricas como químicas. Las señales eléctricas son responsables de transmitir información dentro de las células nerviosas, mientras que las señales químicas transfieren información entre neuronas vecinas.
Las dendritas y el cuerpo celular son responsables de recibir y procesar la información entrante. Una sustancia química conocida como neurotransmisor se une a los receptores en las dendritas y convierte la entrada química en una señal eléctrica en la neurona, creando un potencial de acción.
Cada neurona recibe múltiples señales de diferentes células al mismo tiempo a través de varios neurotransmisores. Los neurotransmisores excitatorios estimulan la siguiente neurona al unirse a ella, mientras que las sustancias inhibitorias evitan que la siguiente neurona dispare. Las señales de entrada de múltiples células se combinan en el cuerpo celular de la neurona. Si la señal general es excitatoria, la siguiente neurona disparará, de lo contrario no disparará o será inhibida.
La señal eléctrica enviada desde el cuerpo celular al axón se llama potencial de acción, que es el resultado del cambio en el potencial de membrana.
Ahora, sumerjámonos en este tema con más detalle.
Potencial de Membrana y Potencial de Acción
Para empezar, hagamos una breve lección de química. Los iones son partículas cargadas que pierden o ganan electrones. Cuando una partícula pierde un electrón, se carga positivamente y se llama catión. Cuando una partícula gana un electrón, se carga negativamente y se llama anión.
Diferentes iones están presentes en el cuerpo humano. La diferencia en la carga eléctrica neta de estos iones en el interior y exterior de la neurona se conoce como potencial de membrana. Esta diferencia de carga es causada por la distribución de iones en ambos lados de la membrana celular.
En estado de reposo, los cationes de sodio (Na+) y los aniones de cloruro (Cl-) son más abundantes fuera de la membrana celular. En el interior, sin embargo, los cationes de potasio (K+) y varios aniones orgánicos (A-) están presentes en mayor número. La membrana celular de la neurona es selectiva, permitiendo el paso solo de ciertas sustancias (iones) mientras bloquea otras. En estado de reposo, solo los cationes de potasio (K+) pueden pasar a través de la membrana semipermeable.
Como resultado, el interior de la neurona tiene una carga negativa mayor que el exterior. Esto lleva a un potencial de membrana en reposo de alrededor de -70 mv, lo que significa que el interior de las células nerviosas tiene 70 mv menos que el exterior.
Despolarización
El potencial de membrana en reposo se altera cuando se encuentra un estímulo (una señal de otra neurona). El estímulo hace que los canales de sodio de la membrana se abran. Dado que el interior de las células nerviosas es aproximadamente -70mv, los iones de sodio cargados positivamente (Na+) entran rápidamente. Esto hace que el potencial de membrana caiga por debajo de -70 mv, un proceso conocido como despolarización.
El valor umbral para la generación de un potencial de acción en una neurona es de -55 mv. Cuando el potencial de membrana cae por debajo de -55 mv, se transmite un potencial de acción a lo largo del axón. El tamaño del potencial de acción se mantiene constante y no depende de la cantidad de caída de potencial a través de la membrana.
Dentro de la neurona, tanto los cationes de potasio como los de sodio están presentes, lo que provoca que el potencial de membrana eventualmente caiga a cero mv e incluso más bajo. Una vez que el potencial alcanza los 30 mV, desencadena la apertura de los canales de potasio, lo que resulta en una inversión del potencial de membrana.
Cuando se abren los canales de potasio, los cationes de potasio (K+) salen rápidamente para restablecer el equilibrio, en un proceso conocido como repolarización. Al mismo tiempo, los canales de sodio comienzan a cerrarse. Esto hace que el potencial de membrana vuelva a su valor de reposo de -70 mv.
Una vez que se alcanza el valor del potencial de reposo, los canales de sodio se cierran por completo. Sin embargo, los canales de potasio tardan más en cerrarse, lo que hace que el potencial de membrana suba brevemente por encima de -70 mv. Luego vuelve a -70 mv cuando los canales de potasio se cierran.
El gráfico ilustra las diferentes etapas que experimenta una neurona cuando se encuentra con un estímulo.
Resumen
En resumen, la generación de una señal eléctrica en las neuronas difiere de la electricidad tradicional. En lugar de electrones libres, las neuronas generan electricidad a través del movimiento de iones de sodio y potasio a través de la membrana celular. Estas señales eléctricas son esenciales para transmitir información desde el cuerpo de la célula hasta la sinapsis. En la mayoría de los casos, los neurotransmisores desempeñan un papel crucial en facilitar la comunicación entre diferentes neuronas. Alternativamente, las señales pueden transferirse directamente de célula a célula a través de uniones comunicantes. Los neurotransmisores son un tema fascinante que merece un artículo separado para explorar cómo funcionan.