Revista Colombiana de Física, vol. , No. de 20

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Propiedades Eléctricas Pasivas de las Neuronas

Oscar Javier Escobar-Soto 1,3

1Universidad Nacional de Colombia.

2Departamento de Biología

Resumen

Las neuronas son las células encargadas de percibir, procesar y emitir una respuesta ante un estímulo del mundo exterior de un organismo, estas células utilizan un lenguaje codif i-cado mediante pulsos eléctricos para caracterizar esta información captada. El presente artículo de revisión pretende dar un panorama de las características eléctricas pasivas de las neuronas, ya que al vivir en un mundo eléctrico, están regidas por las leyes del elec-tromagnetismo o leyes de Maxwell. Estas propiedades eléctricas pasivas permitirán poste-riormente comprender como el el mecanismo de transmisión de información neurona-neurona, conocido como potenciales de acción (PA), entre otras características interesan-tes de las neuronas. Palabras claves: Ley de Ohm, Capacitador, Circuito RC.

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1. Introducción

La supervivencia de todo organismo de pende críticamente

todo el proceso de percibir información del medio, proce-

sarla y posteriormente emitir una respuesta en torno a ella,

sea un organismo unicelular o uno multicelular; para aque-

llos considerados mas complejos-los multicelulares- esta cadena de información resulta mas compleja ya que involu-

cra una mayor serie de pasos, es decir, la comunicación

célula-célula puede resultar mucho mas que una relación

uno a uno, para que pueda ser emitida una respuesta frente a

un estimulo. Ya desde mucho antes que Aristoteles en el

322 A. C había una descripción básica de los diferentes

tipos de sentidos, entendiéndose estos como capacidades

corporales para percibir diferentes estímulos (o informa-

ción), como colores, olores o sonoros [clase sensorial].

Resulta un proceso lógico el pensar que la capacidad de

supervivencia de un organismo, inclusive su fitness depen-

de críticamente de la capacidad de percibir y procesar la información del mundo externo, ya sea para localizar fuen-

tes de alimentación, co-especímenes para apareamiento o

comunicación, peligros del medio como predadores, entre

otros. La historia evolutiva de la naturaleza ha llevado a que

sean típicamente unas células nerviosas, las cuales pueden

estar a grupadas en un sistema nervioso, las encargadas de

percibir esta información, llevarla a un sistema central para

su procesamiento (un cerebro por ejemplo en vertebrados),

y posteriormente lleven la información respuesta a órganos

blanco, como a los músculos. Esta larga cascada desde el

estimulo hasta una respuesta del organismo debe implicar

un mecanismo de transmisión de información eficiente, es decir, veloz, que en el caso de las neuronas se da en la for-

ma de transmisión eléctrica. La presente revisión pretende

dilucidar las características eléctricas de las neuronas, que

son las células encargadas de procesar todo tipo de informa-

ción sensorial captada, y de convertirla en estímulos electri-

cos para posteriormente ser procesada y asi poder emitir una

señal respuesta, resulta interesante entender las caracteristi-

cas de las neuronas ya que el comportamiento de estas se

puede describir en su totalidad por medio de las diferentes

leyes electromagnéticas.

RevColFis, Vol. , No. de 20

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GENERALIDADES DE LA ESTRUCTURA, FUN-

CIÓN Y ORGANIZACIÓN NEURONAL

Las neuronas han desarrollado propiedades especializadas

que les permiten recibir, procesar y transmitir información a

otras células, estas funciones son realizadas anatómicamen-te por regiones con características morfológicas y molecula-

res diferentes. Aunque morfológicamente se pueden encon-

trar toda una serie de formas y tamaños, tipicamente las

neuronas constan de un soma o cuerpo celular, que es el

encargado del mantenimiento metabólico celular y de donde

parten dos tipos de prolongaciones, las dendritas que en

algunos casos puede ser una extensa red de ramificaciones

encargadas de recibir información proveniente de otras

neuronas, la ubicación de estas dendritas nos puede dar a

entender una direccionalidad en la ruta de información. Los

axones o también llamadas fibras nerviosas son prolonga-ciones especializadas en conducir señales lejos del cuerpo

celular, en algunos casos pueden ir de unos milímetros hasta

varios metros [1] [2].

Estos axones por lo general corren a lo largo de los tejidos

en grupos denominados nervios, cada axon puede a su vez

dividirse en el ápice, permitiendo que su señal llegue si-

multáneamente a muchas otras neuronas (por medio de las

dendritas), glándulas o fibras musculares.

PROPIEDADES ELECTRICAS PASIVAS Y ACTIVAS

DE LAS MEMBRANAS

El funcionamiento fisiológico neuronal depende de las ca-

racterísticas de su membrana celular, considerando que

todas las células pueden conducir señales eléctricas, las

membranas celulares poseen propiedades eléctricas pasivas

tales como la capacitancia y la resistencia, sin embargo las

neuronas presentan también propiedades eléctricas activas,

que les permiten conducir señales eléctricas sin detrimento a

lo largo del axon.

Las propiedades pasivas de la membrana celular de las

neuronas, se pueden establecer mediante un pulso de co-

rriente a través de la membrana para producir un cambio en el potencial de membrana (Vm), que es la diferencia de

potencial medido enter el espacio extracelular y el citoplas-

ma, y cuyo valor se encuentra alrededor de los -50mV a -

70mV dependiendo del tipo de célula, es decir que en el

medio citoplasmático se encuentran más cargas negativas, y

al exterior de la célula se encontrarán mas cargas positivas

[1] [2][3].

Las propiedades activas de las neuronas se evidencian en

todos los mecanismos bioquímicos que sufren las célula

antes, durante y después de dispararse un potencial de ac-

ción, este flujo de corriente esta determinado según la ley de

ohm, por ello para efectos del artículo no se entrará en dete-nimiento.

RESISTENCIA DE LA MEMBRANA CELULAR

La resistencia de la membrana celular se evidencia como un

valor de impermeabilidad hacia los iones, mientras que la

capacitancia es una medida de permeabilidad hacia estos. Para un potencial de membrana cualquiera, mientas sea el

valor de la resistencia bajo, es decir, cuanto mayor sea su

conductancia, las cargas iónicas cruzarán la membrana por

medio de los canales ionicos por unidad de tiempo. El com-

portamiento de la membrana celular puede ser descrito

mediante la ley de Ohm,

ΔVm= ΔI X R (1)

Donde Δ es la corriente (en amperios), esta dada por el flujo

de cargas ionicas a traves de canales ubicados a lo largo de toda la superficie de la bicapa lipídica, el voltaje ΔV esta en

función del tipo de celula, denominado potencial de mem-

brana Vm, y R ( en ohms Ω), es la resistencia de la membra-

na [2][3] [4].

La resistencia de entrada de una célula depende del área de

esta, ya que una mayor área de membrana celular tendrá una

mayor cantidad de canales iónicos, para tener en cuenta el

efecto del área en la resistencia de la celula se define una

resistencia específica Rm de la membrana como

Rm = R X A (2)

Donde á es el área de la membrana y Rm es la resistencia

por unidad de área. Por ley de Ohm tenemos

R = ΔVm /ΔI (3)

Sustituyendo 2 en 3 tenemos:

ΔVm

Rm = — X A (4)

ΔI

Donde ΔVm /ΔI se expresa en ohm y el área en centímetros

cuadrados. La resistencia de las membranas está directa-mente relacionada con la población de canales iónicos que

transportan corriente a través de esta, en membranas celula-

res esta resistencia puede oscilar desde cientos a decenas de

miles de ohm* cm 2. [4] [3]

CAPACITANCIA DE LA MEMBRANA

Tal como un capacitador, las membranas celulares tienen la

capacidad de acumular carga por medio de los diferentes

iones, que no son capaces de atravesar la membrana celular

(excepto por los canales iónicos) y que interactúan a través

de esta bicapa lipídica, para posteriormente producir una corriente capacitiva.

Autor principal et al.: Titulo

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La cantidad de carga acumulada (Q) depende del voltaje

aplicado (V) y de la capacitancia intrínseca del condensador

(C) de la forma:

Q = V X C (5)

La capacitancia por tanto, representa la cantidad de carga

que es capaz de acumular para un voltaje determinado

(C=Q/V), y esta capacitancia es directamente proporcional

al área de las placas, e inversamente proporcional a la sepa-

ración entre cada placa. La membrana celular, a través del

cual existe un diferencial de potencial eléctrico alrededor de 0.1 V, pero ya que su espesor es inferior a 10nm, el campo

eléctrico resultance es enorme, cercano a los 100 mil voltios

por centímetro, hecho que tendrá serias implicaciones para

el funcionamiento apropiado de transmisión de información

por medio de potenciales de acción neuronales. La capaci-

tancia de las membranas celulares experimentalmente se ha

determinado cerca de los 1 mocrofaradios (µF) por centíme-

tro cuadrado [1] [2] [3].

Ya que las membranas celulares actúan como un condensa-

dor o capacitador, estas se comportan según un circuito RC,

donde la relación entre el potencial (que es el cambio pasivi del potencial electrotónico) y el tiempo durante la carga del

condensador esta dada por la expresión:

Vt=V∞ (1-e-t/RC) (6)

Siendo V∞ el potencial a través del condensador para el

tiempo t=∞, producido por una corriente constante; t es el

tiempo en segundos tras el inicio del pulso de corriente, R

es la resistencia del circuito, C la capacitancia del conden-

sador y Vt es el potencial a través del condensador a cual-

quier tiempo t [2] [3] [4].

Fig. 1. Esquema del circuito equivalente de la membrana

celular, notese diferentes resistencias de los principales

iones y el condensador.

CONCLUSIONES

Las células en general presentan características equivalentes

a un circuito RC, sin embargo el estudio de las neuronas se ha enfocado ya que estas tienen que transmitir información

por medio de pulsos eléctricos (PA). La resistencia de las

membranas celulares se refiere a la capacidad de estas para

impedir el flujo de iones del medio extracelular al cito-

plasmático, el valor de esta resistencia se puede establecer

mediante la Ley de Ohm, además que también hay una

relación entre el área de la membrana y la resistencia según

la ecuación 4. La capacitancia celular permite que en la

celula pueda haber un campo eléctrico enorme, cercano a

los 100 voltios por centímetro, hecho que servirá para que

se de una potente señal conocida como potencial de acción.

Las membranas celulares se comportan como un circuito RC, lo que permite poder conocer el tiempo que tarda en

cargarse, además de conocer o predecir como el el flujo de

iones (corriente) a lo largo de las diversas resistencias (ca-

nales ionicos).

BIBLIOGRAFÍA

[1] Daniel Radesca. Inclusión de una célula nerviosa

en un circuitoelectrónicode estimulación y medida.

Universidad de la República. Chile. Monografía vin-culada a la conferencia del Dr. Gustavo Brum sobre

"Técnicas ópticas aplicadas al estudio de procesos

electrofisiológicos. Nuevos desarrollos" del 19 de

mayo del 2009.

[2] Eckert, Randall & Augustine. Fisiología Animal.

Mecanismos y Adaptaciones. 4 Edición 1998. Inter-americana-McGraw Hill

[3] Nasi Enrico. Introducción a la Biofísica. Métodos eléctricos y ópticos. Notas de Clase curso Introducción

a la Biofísica Celular. Universidad Nacional de Co-

lombia 2010

[4] Serway, Raymond A. Física para Ciencias e Inge-

niería. 7ª Edición. México D.F