sistema nervioso
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REGULACIÓN Y COORDINACIÓN EN LOS
ANIMALES
PROCESAMIENTO DE LA
INFORMACIÓN
UNIDAD 5. LA REGULACIÓN Y COORDINACIÓN EN ANIMALES
1. Los sistemas de coordinación. 2. Sistema nervioso: regulación y coordinación. La función de relación en los animales:
3.1. Características específicas. 3.2. Captación de información del medio. 3.3. Receptores sensoriales en animales. 3.4. Efectores: respuestas.
4. Neuronas: sensitivas y motoras. 4.1. Impulso nervioso. 4.2. Transmisión intraneuronal. 4.3. Transmisión interneuronal.
5. El sistema nervioso como integrador y coordinador. 5.1. Sistemas nerviosos en invertebrados. 5.2. Sistema nervioso de vertebrados.
5.2.1. Sistema nervioso: central y períferico. 5.2.2.Sistema nervioso central: médula espinal y encéfalo. 5.2.3.Sistema nervioso periférico: somático y autónomo
5.3. Evolución de los sistemas nerviosos. 5.4. Componentes del proceso de coordinación.
6. Regulación y coordinación hormonal en animales. 6.1. Hormonas de invertebrados. 6.2. Hormonas de vertebrados.
7. Regulación y relación con el sistema nervioso. Eje hipotálamo-hipófisis 8. Empleo de las hormonas en los animales utilizados por el ser humano.
CENTRO DE MANDO Y CONTROL Se estima que el cerebro humano contiene
cien mil millones de neuronas o células nerviosas.
Cada neurona se puede comunicar con otras miles de otras neuronas en circuitos complejos de procesamiento de la información que hacen que los ordenadores más potentes parezcan primitivos.
Figure 48-01
CENTRO DE MANDO Y CONTROL Las tecnologías recientes, que pueden registrar la actividad
encefálica desde el exterior del cráneo de una persona. Una técnica es la resonancia magnética funcional (RMf). Durante la RMF el individuo está acostado con la cabeza
dentro de un gran imán con forma de “rosquilla” que registra el aumento del flujo sanguíneo en las áreas encefálicas con neuronas activas.
Un ordenador utiliza los datos para construir un mapa tridimensional de la actividad cerebral del individuo.
Estos registros se pueden hacer mientras el individuo realiza varias tareas, como hablar, mover una mano, observar dibujos o formar una imagen mental de un objeto o del rostro de una persona.
LOS SISTEMAS DE COORDINACIÓN Los animales disponen
de sistemas de regulación y coordinación para mantener el equilibrio de su organismo y responder a las condiciones ambientales.
Estos sistemas de coordinación son el sistema hormonal y el sistema nervioso.
Estímulo
Receptor
VÍA SENSORIAL
Modulador
Efector
VÍA MOTORA
Respuesta
COMPARACIÓN DE LOS DOS TIPOS DE SISTEMAS DE COORDINACIÓN EN ANIMALES
CARACTERÍSTICAS SISTEMA NERVIOSO SISTEMA HORMONAL
Vía utilizada Nervios Medio interno
Velocidad de la respuesta Rápida Lenta
Duración de la respuesta Breve Prolongada
Especificidad de la respuesta Muy específica Poco específica
Funciones que regulan y coordinan Locomoción, situaciones de peligro, adpataciones inmediatas
Crecimiento, desarrollo y metabolismo
PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN Existen tres etapas en el procesamiento de la información por los
sistemas nerviosos: Aferencias sensitivas, integración y eferencias motoras
Estas tres etapas son controladas por poblaciones especializadas de neuronas.
Las neuronas sensitivas transmiten información desde los sensores que detectan estímulos externos (luz, sonido, tacto, calor, olor y gusto) y condiciones internas (presión arterial, nivel de anhídrido carbónico en sangre y tensión muscular)
Esta información se envía al SNC, donde las inter neuronas integran (analizan e interpretan) las aferencias sensitivas y tienen en cuenta el contexto inmediato y lo que ha sucedido en el pasado.
La máxima complejidad de los circuitos neuronales existe en las conexiones entre las interneuronas.
Las eferencias motoras dejan el SNC a través de neuronas motoras, que se comunican con las células efectoras ( células musculares o células endocrinas).
LE 48-3
Sensor
Aferencias sensitivas
Eferencias motoras
Integracion
EfectorSistema nervioso periférico (SNP)
Sistema nerviosoCentral (SNC)
ESTRUCTURA DE LAS NEURONAS
LE 48-5
DENDRITAS
CUERPO CELULAR
Nucleo
Cono Axonico
Axon
Dirección de la señal
CÉLULAPRESINÁPTICA Vaína de
mielina
terminaciones sinápticas
Sinapsis
CÉLULA POSTSINÁPTICA
DIVERSIDAD ESTRUCTURAL DE LAS NEURONAS DE VERTEBRADOS
LE 48-6
Dendritas
Cuerpocelular
Axon
InterneuronsSensory neuron Motor neuron
LE 48-7
50 µ
m
CÉLULAS DE LA GLIA Astrocitos En este corte a través de la corteza
cerebral de un mamífero, los astrocitos se ven color verde después de ser marcados con un anticuerpo fluorescente MO.
Los puntos azules son núcleos celulares, marcados con un anticuerpo diferente.
CÉLULAS DE LA GLIA En un embrión, la glía radial forma recorridos a lo
largo de los cuales migran las neuronas recién formadas desde el tubo neural, la estructura que da origen al SNC,. La glía radial y los astrocitos también pueden actuar como células madre y generar neuronas y otras células gliales.
Algunos investigadores consideran que estos precursores mutipotenciales son una fuente potencial de sustituir neuronas y células gliales que se pierden por traumatismo o enfermedad.
LE 48-8
Axon Nodos deRanvier
Célula deSchwann
Vaína de mielinaNúcleo de laCélula de Schwann
Célula de Schwann
Nodo de Ranvier
Capas de mielínaAxon
0.1 µm
LE 48-9
Microelectrodo
Electrodo de referencia
Registrador de voltaje
–70 mV
MÉTODO DE INVESTIGACIÓN Los electrofisiólogos utilizan el registro intracelular para
medir el potencial de membrana de las neuronas y otras células.
Un microelectrodo está formado por un tubo capilar de vidrio lleno con una solución salina conductora de la electricidad.
Un extremo del tubo se estrecha hasta llegar a una punta extremadamente fina (diamétro < 1mm).
Mientras mira a través de un microscopio, el experimentador utiliza un micromanipulador para insertar el extremo del microelectrodo en una célula.
Un registrador de voltaje, habitualmente, un osciloscopio o un sistema computarizado) mide el voltaje entre el extremo del microelectrodo en el interior de la célula y un electrodo de referencia colocado en la solución afuera de la célula.
LE 48-10
CITOSOL LIQUIDOEXTRACELULAR
[Na+]15 mM
[K+]150 mM
[A–]100 mM
[Na+]150 mM
[K+]5 mM
[Cl–]120 mM
[Cl–]10 mM
MEMBRANAPLASMÁTICA
Potencial de reposo El potencial de membrana
de una neurona que no está trasmitiendo señales.
En todas las neuronas, el potencial de reposo depende de los gradientes iónicos que existen a través de la membrana plasmática.
Los gradientes del Na+ y K+ se mantienen por la bomba sodio-potasio.
El hecho de que los gradientes sean responsables del potencial de reposo se demuestra mediante un experimento simple: si se desactiva la bomba por el agregado de un veneno específico, los gradientes desaparecen en forma gradual y también desaparece el potencial de reposo
LE 48-11
150 mMKCl
CÁMARAINTERNA
CÁMARA EXTERNA
–92 mV
CANAL DEPOTASIO
Membrane selectively permeable to K+ Membrane selectively permeable to Na+
5 mMKCl
Artificialmembrane
K+
Cl–
150 mMNaCl
CÁMARAINTERNA
CÁMARAEXTERNA
+62 mV
CANAL DESODIO
15 mMNaCl
Na+
Cl–
CANALES IONICOS REGULADOS El potencial de reposo es el
resultado de la difusión de potasio y sodio a través de canales iónicos que siempre están abiertos, se dice que estos canales son no regulados
Las neuronas tienen canales iónicos regulados, que se abren o se cierran en respuesta a uno de tres tipos de estímulos.
Los canales iónicos activados por estiramiento se encuentran en células que detectan el estiramiento y se abren cuando la membrana se deforma mecánicamente.
Los canales iónicos regulados por ligando se encuentran en la sinapsis y se abren o se cierran cuando una sustancia química específica, como un neurotransmisor, se une al canal.
Los canales iónicos regulados por voltaje se encuentran en los axones (y en las dendritas y el cuerpo celular de algunas neuronas, así como en otros tipos de células) y se abren o se cierran cuando cambia el potencial de membrana.
LE 48-14a
Se genera un potencial de acción a medida que el Na+ fluye a travésde la membrana en un lugar determinado
Na+
Potencialde acción
Axon
LE 48-14b
Se genera un potencial de accion a medida que el Na+ fluye a travésde la membrana en un lugar determinado
Na+
Action potential
Axon
Na+
Action potentialK+
La despolarización del potencial de acción se propaga hasta la región vecina de la membrana, lo que reinicia allí el potencial de acción. A la izquierda de esta región, la membrana se está repolarizando a medida que el K+ fluye hacia el exterior.
K+
LE 48-14c
Se genera un potencial de accion a medida que el Na+ fluye a través de la membrana en un lugar determinado
Na+
Action potential
Axon
Na+
Action potentialK+
La despolarización del potencial de acción se propaga hasta la región vecina de la membrana, lo que reinicia allí el potencial de acción. A la izquierda de esta región, la membrana se está repolarizando a medida que el K+ fluye hacia el exterior.
K+
Na+
Action potentialK+
Se repite el piroceso de despolarización-repolarización en la siguiente región de la membrana. De esta forma, las corrientes locales de iones a través de la membrana plasmática determinan que el potencial de acción se propague a lo largo de la longitud del axón.
K+
LE 48-12
Hyperpolarizations
Graded potential hyperpolarizations Graded potential depolarizations
5Time (msec)
Restingpotential
43210
Threshold
–100
–50
0
Mem
bra
ne
po
ten
tial
(m
V)
Stimuli
+50
Depolarizations
5Time (msec)
Restingpotential
43210
Threshold
–100
–50
0
Mem
bra
ne
po
ten
tial
(m
V)
Stimuli
+50
Action potential
5Time (msec)
Restingpotential
43210
Threshold
–100
–50
0
Mem
bra
ne
po
ten
tial
(m
V)
Stronger depolarizing stimulus
+50Actionpotential
6
PRODUCCIÓN DE POTENCIALES DE ACCIÓN En la mayoría de las
neuronas, las despolarizaciones son graduadas sólo hasta cierto voltaje de la membrana, denominado umbral.
Un estímulo suficientemente fuerte como para producir una despolarización que alcanza el umbral desencadena un tipo diferente de respuesta, denominada potencial de acción.
Un potencial de acción es un fenómeno de todo o nada_ una vez desencadenado posee una magnitud que es independiente de la fuerza del estímulo desencadenante.
Los potenciales de acción son las señales que transportan información a lo largo de los axones, a veces recorriendo largas distancias, como desde los dedos de los pies hasta la médula espinal.
POTENCIAL DE ACCIÓN Los potenciales de acción
de la mayoría de las neuronas son muy breves, de sólo 1-2 milisegundos de duración.
Tener potenciales de acción breves permite a la neurona producirlos con alta frecuencia. Esto es importante porque las neuronas codifican información en la frecuendia de sus potenciales de acción.
Los canales de sodio regulados por voltaje como los canales de potasio regulados por voltaje participan en la producción de un potencial de acción.
Ambos tipos de canales se abren por la despolarización de la membrana, pero responden de forma independiente y secuencial: los canales de Na+ se abren antes que los canales de K+.
CANALES IÓNICOS Cada canal de Na+ regulado
por voltaje tiene dos puertas, una puerta de activación y una puerta de inactivación, y ambas se deben abrir para que el Na+ difunda a través del canal.
En el potencial de reposo, la puerta de activación está cerrada y la puerta de inactivación está abierta en la mayoría de los canales de Na+.
La despolarización de la membrana abre rápidamente la puerta de activación y cierra lentamente la puerta de inactivación
Cada canal de K+ regulado por voltaje tienen sólo una puerta, una puerta de activación.
En el potencial de reposo se cierra la puerta de activación en la mayoría de los canales de K+.
La despolarización de la membrana abre lentamente la puerta de activación del canal del K+.
Cada canal de Na+ regulado por voltaje tiene dos puertas, una puerta de activación y una puerta de inactivación, y ambas se deben abrir para que el Na+ difunda a través del canal.
En el potencial de reposo, la puerta de activación está cerrada y la puerta de inactivación está abierta en la mayoría de los canales de Na+.
La despolarización de la membrana abre rápidamente la puertaCada canal de K+ regulado por voltaje tienen sólo una puerta, una puerta de activación.
En el potencial de reposo se cierra la puerta de activación en la mayoría de los canales de K+.
La despolarización de la membrana abre lentamente la puerta de activación del canal del K+. de activación y cierra lentamente la puerta de inactivación
LE 48-13_1
Potencia de reposo
unbral
po
ten
cial
de
mem
bra
na
(mV
)
Potencial De acción
Time–100
–50
+50
0
Canal de potasio
Fluido extracelular
Membrana plamática
Na+
Estado de reposo
Puerta de inactivación
Puertas deactivación
Canal de sodio K+
Citosol
LE 48-13_2
Resting potential
Threshold
Mem
bra
ne
po
ten
tial
(mV
)
Actionpotential
Time–100
–50
+50
0
Potassiumchannel
Extracellular fluid
Plasma membrane
Na+
Estado de reposo
Inactivationgate
Activationgates
Sodiumchannel K+
Cytosol
Na+
despolarización
K+
Na+
LE 48-13_2
Resting potential
Threshold
Mem
bra
ne
po
ten
tial
(mV
)
Actionpotential
Time–100
–50
+50
0
Potassiumchannel
Extracellular fluid
Plasma membrane
Na+
Estado de reposo
Inactivationgate
Activationgates
Sodiumchannel K+
Cytosol
Na+
despolarización
K+
Na+
LE 48-13_3
Resting potential
Threshold
Me
mb
ran
e p
ote
nti
al
(mV
)
Actionpotential
Time–100
–50
+50
0
Potassiumchannel
Extracellular fluid
Plasma membrane
Na+
Estado de reposo
Inactivationgate
Activationgates
Sodiumchannel K+
Cytosol
Na+
despolarización
K+
Na+
Na+
Fase creciente del potencial de acción
K+
Na+
LE 48-13_4
Resting potential
Threshold
Me
mb
ran
e p
ote
nti
al
(mV
)
Actionpotential
Time–100
–50
+50
0
Potassiumchannel
Extracellular fluid
Plasma membrane
Na+
Estado de reposo
Inactivationgate
Activationgates
Sodiumchannel K+
Cytosol
Na+
Depolarización
K+
Na+
Na+
Fase creciente de despolarización
K+
Na+
Na+
Fase de caida de potencil de acción
K+
Na+
LE 48-13_5
Resting potential
Threshold
Me
mb
ran
e p
ote
nti
al
(mV
)
Actionpotential
Time–100
–50
+50
0
Potassiumchannel
Extracellular fluid
Plasma membrane
Na+
Estado de reposo
Inactivationgate
Activationgates
Sodiumchannel K+
Cytosol
Na+
despolarización
K+
Na+
Na+
Fase creciente del potencial de acción
K+
Na+
Na+
Fase de caída del potencial de acción
K+
Na+
Na+
hiperpolarizac
K+
Na+
LE 48-15
Cuerpo celular
Célula de Schwann
Región despolarizada(nodo de Ranvier)
Vaína demielína
Axon
CONDUCCIÓN SALTATORIA. En un axón mielínico, la corriente despolarizante durante un potencial de acción en un nodo de
Ranvier, se propaga a lo largo del interior del azón hasta el nodo siguiente, donde se reinicia por si mismo. Por tanto, el potencial de acción
salta de un nodo al otro a medida que viaja a lo largo del axón.
LE 48-16
Neuronapostsináptica
Terminaciones sinápticas de las neuronaspresinápticas
5 µ
m
LE 48-17
Célula postsinápticaCélula presináptical
Vesículas sinápticasQue contienenneurotransmisor
Membrana presináptica
Canal de Ca Regulado por voltaje
Ca2+Membrana postsináptica
Membranapostsináptica
Neuro-transmisor
Canal iónicoregulado por ligando
Na+
K+
Canales ionicosRegulados por ligando
Hendidura sináptica
LE 48-2a
Red nerviosa
Hydra (cnidario)
Nervio radial
Anillo nervioso
Estrella de mar(equinodermo)
LE 48-2b
Mancha ocularencéfaloCordónnervioso
Nerviotransversal
Planaria (platelminto)
encéfalo
CordónNerviosoventral
Gangliosegmentario
sanguijuela (anelido)
LE 48-2c
Insecto (artropodo) Chiton (molusco)
encéfalo
Cordón nerviosoventral
Gangliossegmentarios
Cordón Nerviosoanterior
CordonesNerviososlongitudinales
Ganglios
LE 48-2d
encéfalo
Ganglios
calamar (molusco)
encéfalo
Salamandra (cordado)
MédulaEspinalCordón Nerviosodorsal
Gangliossegmentarios
LE 48-2
Nerve net
Hydra (cnidarian)
Radialnerve
Nervering
Sea star (echinoderm)
Insect (arthropod) Chiton (mollusc)
Brain
Ventralnerve cord
Segmentalganglia
Anteriornerve ring
Longitudinalnerve cords
Ganglia
Eyespot
Brain
Nervecord
Transversenerve
Planarian (flatworm)
Brain
Ganglia
Squid (mollusc)
Brain
Salamander (chordate)
Spinalcord(dorsalnervecord)
Sensoryganglion
Brain
Ventralnerve cord
Segmentalganglion
Leech (annelid)
Table 48-1
LE 48-19Sistema nerviosoCentral SNC
Sistema nervioso periféricoSNP
Nervioscraneales
GangliosExterioresAl SNC
Nervios espinales
encéfalo
Spinal cord
LE 48-20
Sustancia gris
Sustanciablanca
Ventriculos
LE 48-21
Sistema Nervioso periférico
SistemaNerviososomático
Sistema Nerviosoautónomo
Divisiónsimpática
Divisiónparasimpática
Divisiónentérica
LE 48-4
Músculo cuádricep
Cuerpo celular de laneurona sensitiva en el ganglio de laraíz dorsal
Neurona sensitiva
Médula espinal)
Sustanciablanca
Músculoisquiocrural
Sustanciagris
Neurona motora
Interneurona
ACTOS INVOLUNTARIOS Son aquellos que
realizamos sin intervención de la corteza cerebral, es decir, que son ajenos a nuestra consciencia, y, por tanto, a nuestra voluntad. Suelen estar controlados por centros de control secundarios, tales como la médula espinal y los ganglios. Dan lugar a lo que llamamos ACTOS REFLEJOS, producidos por muy pocas neuronas que funcionan formando un ARCO REFLEJO.
ACTO VOLUNTARIO
Son actos conscientes que dependen de nuestra voluntad. En ellos intervienen la médula espinal y el encéfalo. Se producen cuando un receptor recibe un impulso y envía la información a las vías sensitivas, que lo llevan a la médula espinal y de éstas al cerebro, donde se elabora una respuesta.
LE 48-22
División simpáticaDivisión parasimática
Contrae la Pupila del ojoLocalización de las
Neuronas preganglionares:Tronco encefálico y segmentosSacros de la médula espinal
Estimula la secreción de lasGlándulas salivales
Contrae los bronquiosEn los pulmones
Acción sobre los órganos diana
Neurotransmisor liberado por las neuronaspreganglionares:acetilcolina
Disminuye eel ritmo cardiaco
Estimula la actividadEn el estómago Y los intestinos
Localización de las posganglionares:en los ganglios próximos a los órganos diana o dentro de ellos
NeurotransmisorLiberado por las neuronasPosganglionares:acetilcolina
Estimula la actividadDel páncreas
Estimula laVesícula biliar
Promueve la evacuaciónDe la vejiga
Promueve la erección de los genitales
Dilata la pupilaDel ojo
Inhibe la secreción de las Glándulas salivales
Relaja los bronquiosEn los pulmones
Acción sobre los órganos diana:
Acelera el ritmo cardíaco
Inhibe la actividad del Estómago y los intestinos
Inhibe la actividad del páncreas
Estimula la liberación de glucosa del higadoInhibe la vesícula biliar
Provocala evacuación De la vejiga
Promueve la eyaculación y lasContracciones vaginales
Estimula la médulasuprarrenal
Synapse
Sacros
Lumbares
Torácicos
Cervicalesl
Gangliossimpáticos
Localización de las neuronasPreganglionares:Segmentos torácicos y Lumbares de la médula espinal
NeurotransmisorLiberado por las neuronas Preganglionares:acetilcolina
Localización de lasNeuronas posganglionares:Algunas en los gangliosPróximos a los órganosDiana; otras en una cadena de ganglios cerca de la Médula espinal
Neurotransmisor liberadoPor las neuronasPosganglionares.noradrenalina
LE 48-23
Regiones encefálicas embrionarias
Cerebro anterior
Cerebro medio
Telencefalo
Diencefalo
Mesencéfalo
Cerebro posteriorn
Metencefalo
mielencéfalo
Diencephalon
Mesencephalon
Metencephalon
MyelencephalonMidbrain
Hindbrain
ForebrainTelencephalon
Spinal cord
Médula espinal
Embrión de un mes Embrión de cinco semanas
Hemisferio cerebral
Bulbo raquídeo ( parte del tronco encefálico)
Glánculahipófisis
Pineal gland(part of epithalamus)
Diencephalon:
Hypothalamus
Thalamus
Tronco encefálico
MesencéfaloProtuberancia
Bulbo raquídeo
Cerebelom
EpéndimoAdult
Protuberancia (parte del tronco encefálico) cerebelo
Mesencéfalo (parte del tronco encefálico)
Diencéfalo (tálamo, hipotálamo, epitálamo)
Cerebro (hemisferios cerebrales; se compone de corteza cerebral, sustancia blanca y núcleos basales
Estructuras encefálicas presentes en el adulto
Unnumbered Figure 48-1031
Unnumbered Figure 48-1029
Unnumbered Figure 48-1030a
Unnumbered Figure 48-1030b
LATERIZACÓN DE LA FUNCIÓN CORTICAL HEMISFERIO DERECHO Reconocimiento de patrones, de rostros, las
relaciones espaciales, el pensamiento no verbal, el procesamiento emocional, en general, y el procesamiento simultáneo de muchos tipos de información.
El conocimiento y la generación de los patrones de estrés y de entonación del habla que transmiten su contenido emocional destacan la función del hemisferio derecho, como lo hace la música.
El hemisferio derecho parece especializarse en percibir la relación entre las imágenes y el contexto total en el que se desarrollan, mientras que el izquierdo es mejor en la percepción enfocada.
La mayoría delas personas diestras utilizan su mano izquierda para las actividades de contexto o de sostén y utilizan su mano derecha para el moviimiento detallado y fino.
HEMISFERIO IZQUIERDO El hemisferio izquierdo se hace más hábil
para el lenguaje, las matemáticas, las operaciones lógicas y el procesamiento seriado de secuencias de información, tienen un procesamiento serial de las actividades detalladas y optimizadas por velocidad necesarias para el control del músculo esquelético y de los detalles auditivos y visuales finos.
LE 48-26
Left cerebralhemisphere
Corpuscallosum
Neocortex
Right cerebralhemisphere
Basalnuclei
LE 48-27
Frontal lobe
Frontal associationarea
Smell
Speech
Temporal lobe
Auditoryassociationarea
HearingVisualassociationarea
Vision
Occipital lobe
Reading
Somatosensoryassociationarea
Taste
Speech
Parietal lobe
Mo
tor
cort
exS
om
ato
sen
sory
co
rtex
LE 48-28
Frontal lobe Parietal lobe
Primarymotor cortex
Primarysomatosensorycortex
Genitalia
Tongue
Jaw
Lips
Face
Neck
Eye
Brow
Sh
ou
lder
Tru
nk
HipW
rist
Hand
FingersThumb
ForearmE
lbo
w
Kn
eeTongue
Jaw
Lips
Face
Eye
Head
HandFingers
Thumb
ForearmE
lbo
w
Abdominalorgans
Toes
Pharynx
GumsTeeth
Nose
Up
per arm
Neck
Tru
nk
Hip
Le g