Potencial de acción: el mensaje de las neuronas

El potencial de acción es un fenómeno eléctrico o químico de corta duración que sucede en las neuronas de nuestro cerebro. Se puede decir que es el mensaje que va a transmitir a otras neuronas.

Se produce en el cuerpo de la célula (núcleo), también llamado soma. Viaja por todo el axón (prolongación de la neurona, similar a un cable) hasta llegar a su extremo, llamado botón terminal.

Potencial de acción neuronal

Los potenciales de acción en un determinado axón siempre poseen la misma duración e intensidad. Si el axón se ramifica en otras prolongaciones, el potencial de acción se divide, pero su intensidad no se reduce.

Cuando el potencial de acción llega a los botones terminales de la neurona, éstos segregan sustancias químicas llamadas neurotransmisores. Estas sustancias excitan o inhiben a la neurona que las reciba, pudiendo generan un potencial de acción en dicha neurona.

Gran parte de lo que se conoce sobre los potenciales de acción de las neuronas provienen de experimentos realizados con axones gigantes de calamares. Es fácil de estudiar por su tamaño, ya que se extiende desde la cabeza hasta la cola. Sirven para que el animal pueda desplazarse.

Potencial de membrana de la neurona

Las neuronas poseen diferente carga eléctrica en su interior que en el exterior. Esta diferencia se llama potencial de membrana.

Cuando una neurona se encuentra en potencial de reposo, significa que su carga eléctrica no está alterada por potenciales sinápticos excitatorios ni inhibitorios.

En cambio, cuando otros potenciales influyen en ella, el potencial de membrana puede reducirse. Esto se conoce como despolarización.

O, por el contrario, cuando el potencial de membrana aumenta respecto a su potencial normal, se produce un fenómeno llamado hiperpolarización.

Cuando se produce de forma repentina una inversión muy rápida del potencial de membrana, se da un potencial de acción. Éste consiste en un impulso eléctrico breve, que se traduce en el mensaje que viaja por el axón de la neurona. Comienza en el cuerpo celular, llegando hasta los botones terminales.

Es importante destacar que para que se produzca un potencial de acción, los cambios eléctricos deben alcanzar un umbral, llamado umbral de excitación. Se trata del valor del potencial de membrana al que se debe llegar necesariamente para que ocurra el potencial de acción.

Potenciales de acción y cambios en los niveles de iones

En condiciones normales, la neurona está preparada para recibir sodio (Na+) en su interior. Sin embargo, su membrana no es muy permeable a este ión.

Además, posee los conocidos “transportadores de sodio-potasio” una proteína que se encuentra en la membrana de las células que se encarga de sacar los iones de sodio de ésta e introducir en ella iones de potasio. En concreto, por cada 3 iones de sodio que extrae, introduce dos de potasio.

Dichos transportadores mantienen un nivel de sodio bajo dentro de la célula. Si aumentara la permeabilidad de la célula y entrase mayor cantidad de sodio en ella repentinamente, el potencial de membrana cambiaría radicalmente. Al parecer, esto es lo que provoca un potencial de acción.

En concreto, se incrementaría la permeabilidad de la membrana al sodio, entrando éstos dentro de la neurona. Mientras que, al mismo tiempo, esto permitiría que los iones de potasio salieran de la célula.

¿Cómo se dan estos cambios de permeabilidad?

Las células poseen incrustadas en su membrana numerosas proteínas llamadas canales iónicos. Éstas tienen unas aberturas por las que los iones pueden entrar o salir de las células, aunque no siempre están abiertos. Los canales se cierran o se abren según ciertos acontecimientos.

Existen múltiples tipos de canales iónicos, y cada uno suele estar especializado para conducir a ciertos tipos de iones exclusivamente.

Por ejemplo, un canal de sodio abierto, puede dejar pasar más de 100 millones de iones por segundo.

¿Cómo se producen los potenciales de acción?

Las neuronas transmiten información electroquímicamente. Esto quiere decir que las sustancias químicas producen señales eléctricas.

Estas sustancias químicas poseen carga eléctrica, por lo que se denominan iones. Los más importantes en el sistema nervioso son el sodio y el potasio, que tienen una carga positiva. Además del calcio (2 cargas positivas) y el cloro (una carga negativa).

Cambios en el potencial de la membrana

El primer paso para que ocurra un potencial de acción es un cambio en el potencial de membrana de la célula. Este cambio debe superar el umbral de excitación.

En concreto, se da una reducción del potencial de membrana, lo que se denomina despolarización.

Apertura de los canales de sodio

Como consecuencia, los canales de sodio incrustados en la membrana se abren, permitiendo que el sodio entre masivamente en el interior de la neurona. Éstos están impulsados por fuerzas de difusión y presión electrostática.

Como los iones de sodio están cargados positivamente, producen un rápido cambio en el potencial de membrana.

Apertura de los canales de potasio

La membrana de los axones posee tanto canales de sodio como de potasio. Sin embargo, estos últimos se abren más tarde, porque son menos sensibles. Es decir, necesitan un mayor nivel de despolarización para abrirse y por eso se abren más tarde.

Cierre de los canales de sodio

Llega un momento en el que el potencial de acción alcanza su máximo valor. A partir de este periodo, los canales de sodio se bloquean y se cierran.

Ya no podrán abrirse de nuevo hasta que la membrana alcance otra vez el potencial de reposo. Como consecuencia, no podrá entrar más sodio en la neurona.

Cierre de los canales de potasio

Sin embargo, los canales de potasio permanecen abiertos. Esto permite que los iones de potasio fluyan a través de la célula.

Debido a la difusión y presión electrostática, como el interior del axón está cargado positivamente, los iones de potasio se empujan hacia el exterior de la célula.

Así, el potencial de membrana va recuperando su valor habitual. Poco a poco, los canales de potasio se van cerrando.

Esta salida de cationes hace que el potencial de membrana vaya recuperando su valor normal. Cuando ocurre esto, los canales de potasio se empiezan a cerrar de nuevo.

En el momento en el que el potencial de membrana llega a su valor normal, los canales de potasio se cierran por completo. Algo más tarde, los canales de sodio se reactivan preparándose para que otra despolarización los abra.

Por último, los transportadores de sodio-potasio, segregan el sodio que había entrado y recuperan el potasio que había salido anteriormente.

¿Cómo se propaga la información por el axón?

El axón consiste en una parte de la neurona, una prolongación de ésta similar a un cable. Pueden ser muy largos para permitir que las neuronas que están alejadas físicamente puedan conectarse y enviarse información.

El potencial de acción se propaga a lo largo del axón y llega a los botones terminales para enviar mensajes a la siguiente célula.

Si midiéramos la intensidad del potencial de acción desde en diferentes zonas del axón, encontraríamos que su intensidad permanece igual en todas las áreas.

Ley del todo o nada

Esto ocurre porque la conducción axonal sigue una ley fundamental: la ley del todo o nada. Es decir, un potencial de acción se da o no se da. Una vez que comienza, viaja por todo el axón hasta su extremo manteniendo siempre el mismo tamaño, no aumenta ni disminuye. Es más, si un axón se ramifica, el potencial de acción se divide, pero mantiene su tamaño.

Los potenciales de acción se inician en el extremo del axón que está unido al soma de la neurona. Normalmente, suelen viajar en una sola dirección.

Potenciales de acción y conducta

Es posible que, llegados a este punto, te preguntes: si el potencial de acción es un proceso de todo o nada, ¿cómo se producen ciertas conductas como la contracción muscular que puede variar entre distintos niveles de intensidad? Esto sucede por la ley de la frecuencia.

Ley de la frecuencia

Lo que ocurre es que un solo potencial de acción no aporta información de manera directa. En cambio, la información se determina por la frecuencia de descarga o tasa de disparo de un axón. Es decir, la frecuencia en la que ocurren los potenciales de acción. Eso se conoce como la “ley de la frecuencia”.

Así, una frecuencia alta de potenciales de acción daría lugar a una contracción muscular muy intensa.

Lo mismo ocurre con la percepción. Por ejemplo, un estímulo visual muy brillante, para ser captado, debe producir una “tasa de disparo” alta en los axones ligados a los ojos. De esta forma, la frecuencia de los potenciales de acción refleja la intensidad de un estímulo físico.

Por lo tanto, la ley del todo o nada se complementa con la ley de la frecuencia.

Otras formas de intercambio de información

Los potenciales de acción no son las únicas clases de señales eléctricas que ocurren en las neuronas. Por ejemplo, al enviar información a través de una sinapsis se da un pequeño impulso eléctrico en la membrana de la neurona que recibe los datos.

En ciertas ocasiones, una ligera despolarización que es demasiado débil para producir un potencial de acción, puede alterar levemente el potencial de membrana.

Sin embargo, esta alteración va reduciéndose poco a poco a medida que va viajando por el axón. En este tipo de transmisión de información, ni los canales de sodio ni los de potasio se abren o se cierran.

Así, el axón actúa como un cable submarino. A medida que la señal va transmitiéndose por éste, su amplitud va disminuyendo. Esto se conoce como conducción decreciente, y ocurre debido a las características del axón.

Potenciales de acción y mielina

Los axones de casi todos los mamíferos están cubiertos de mielina. Es decir, poseen segmentos rodeados de una sustancia que permite la conducción nerviosa, haciéndola más rápida. La mielina se enrolla alrededor del axón sin dejar que el líquido extracelular llegue a éste.

La mielina se produce en el sistema nervioso central por unas células llamadas oligodendrocitos. Mientras que, en el sistema nervioso periférico, la producen las células de Schwann.

Los segmentos de mielina, conocidos como vainas de mielina, están divididos entre sí por zonas descubiertas del axón. Estas zonas se denominan nódulos de Ranvier y sí están en contacto con el líquido extracelular.

El potencial de acción se transmite de manera diferente en un axón amielínico (que no está cubierto de mielina) que en uno mielínico.

El potencial de acción puede viajar por la membrana axonal cubierta de mielina por las propiedades del cable. El axón de esta forma, conduce el cambio eléctrico desde el lugar donde se produce el potencial de acción hasta el siguiente nódulo de Ranvier.

Este cambio va reduciéndose ligeramente, pero es lo suficientemente intenso como para provocar un potencial de acción en el nódulo siguiente. Luego, este potencial vuelve a desencadenarse o repetirse en cada nódulo de Ranvier, transportándose por toda la zona mielinizada hasta el próximo nódulo.

Esta clase de conducción de los potenciales de acción se denomina conducción saltatoria. Su nombre proviene del latín “saltare”, que significa “bailar”. El concepto se debe a que el impulso parece saltar de nódulo a nódulo.

Ventajas de la conducción saltatoria para transmitir potenciales de acción

Este tipo de conducción posee sus ventajas. En primer lugar, para ahorrar energía. Los transportadores de sodio-potasio gastan mucha energía extrayendo el exceso de sodio del interior del axón durante los potenciales de acción.

Dichos transportadores de sodio-potasio se ubican en las zonas del axón que no están cubiertas de mielina. No obstante, en un axón mielinizado, el sodio sólo puede entrar en los nódulos de Ranvier. Por ello, entra mucho menos sodio, y debido a esto, se debe bombear al exterior menos sodio. Por lo que los transportadores de sodio-potasio tienen que trabajar menos.

Otro beneficio de la mielina es la rapidez. Un potencial de acción se conduce de forma más veloz en un axón mielinizado, ya que el impulso “salta” de un nódulo a otro, sin tener que pasar por todo el axón.

Este aumento en la velocidad provoca que los animales piensen y reaccionen de forma más rápida. Otros seres vivos, como el calamar, poseen axones sin mielina que consiguen velocidad por un aumento de su tamaño. Los axones de los calamares tienen un gran diámetro (unas 500 µm), lo que les permite viajar más rápido (a unos 35 metros por segundo).

Sin embargo, a esa misma velocidad viajan los potenciales de acción en los axones de los gatos, aunque éstos tienen un diámetro de sólo 6 µm. Lo que ocurre es que estos axones sí contienen mielina.

Un axón mielinizado puede llegar a conducir potenciales de acción a una velocidad de unos 432 kilómetros por hora, con un diámetro de 20 µm.

Referencias

  1. Action Potentials. (s.f.). Recuperado el 05 de marzo de 2017, de Hyperphysics, Georgia State University: hyperphysics.phy-astr.gsu.edu.
  2. Carlson, N.R. (2006). Fisiología de la conducta 8ª Ed. Madrid: Pearson.
  3. Chudler, E. (s.f.). Lights, Camera, Action Potential. Recuperado el 05 de marzo de 2017, de University of Washington: faculty.washington.edu.
  4. Stages of the Action Potential. (s.f.). Recuperado el 05 de marzo de 2017, de Boundless: boundless.com.

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