Suma (neurofisiología) - Summation (neurophysiology)
La suma , que incluye tanto espacial suma y temporal suma , es el proceso que determina si o no un potencial de acción será generado por los efectos combinados de excitadores y inhibidoras señales, tanto a partir de múltiples entradas simultáneas (sumación espacial), y de entradas repetidas ( suma temporal). Dependiendo de la suma total de muchas entradas individuales, la suma puede alcanzar o no el voltaje umbral para activar un potencial de acción.
Los neurotransmisores liberados desde las terminales de una neurona presináptica se clasifican en una de dos categorías , según los canales iónicos activados o modulados por el receptor del neurotransmisor . Los neurotransmisores excitadores producen despolarización de la célula postsináptica, mientras que la hiperpolarización producida por un neurotransmisor inhibidor mitigará los efectos de un neurotransmisor excitador. Esta despolarización se denomina EPSP o potencial postsináptico excitador y la hiperpolarización se denomina IPSP o potencial postsináptico inhibitorio .
Las únicas influencias que las neuronas pueden tener unas sobre otras son la excitación, la inhibición y, a través de transmisores moduladores, influir en la excitabilidad de las otras. A partir de un conjunto tan pequeño de interacciones básicas, una cadena de neuronas puede producir solo una respuesta limitada. Una vía puede facilitarse mediante una entrada excitadora; la eliminación de dicha información constituye una desilusión . También se puede inhibir una vía; la eliminación de la entrada inhibitoria constituye desinhibición , que, si hay otras fuentes de excitación presentes en la entrada inhibitoria, puede aumentar la excitación.
Cuando una neurona objetivo determinada recibe entradas de múltiples fuentes, esas entradas se pueden sumar espacialmente si las entradas llegan lo suficientemente cerca en el tiempo como para que la influencia de las entradas que lleguen más temprano aún no haya decaído. Si una neurona objetivo recibe información de un solo terminal de axón y esa entrada se produce repetidamente a intervalos cortos, las entradas pueden sumarse temporalmente.
Historia
El sistema nervioso comenzó a incluirse dentro del alcance de los estudios fisiológicos generales a fines del siglo XIX, cuando Charles Sherrington comenzó a probar las propiedades eléctricas de las neuronas. Sus principales contribuciones a la neurofisiología incluyeron el estudio del reflejo rotuliano y las inferencias que hizo entre las dos fuerzas recíprocas de excitación e inhibición. Postuló que el sitio donde ocurre esta respuesta moduladora es el espacio intercelular de una vía unidireccional de circuitos neuronales. Primero introdujo el posible papel de la evolución y la inhibición neural con su sugerencia de que "los centros superiores del cerebro inhiben las funciones excitadoras de los centros inferiores".
Gran parte del conocimiento actual de la transmisión sináptica química se obtuvo de experimentos que analizan los efectos de la liberación de acetilcolina en las uniones neuromusculares , también llamadas placas terminales . Los pioneros en esta área fueron Bernard Katz y Alan Hodgkin, quienes utilizaron el axón gigante del calamar como modelo experimental para el estudio del sistema nervioso. El tamaño relativamente grande de las neuronas permitió el uso de electrodos de punta fina para monitorear los cambios electrofisiológicos que fluctúan a través de la membrana. En 1941, la implementación de Katz de microelectrodos en el nervio ciático gastrocnemio de las ancas de rana iluminó el campo. Pronto se generalizó que el potencial de placa terminal (EPP) por sí solo es lo que desencadena el potencial de acción muscular, que se manifiesta a través de las contracciones de las ancas de rana.
Uno de los hallazgos fundamentales de Katz, en estudios llevados a cabo con Paul Fatt en 1951, fue que los cambios espontáneos en el potencial de la membrana de las células musculares ocurren incluso sin la estimulación de la neurona motora presináptica. Estos picos de potencial son similares a los potenciales de acción, excepto que son mucho más pequeños, por lo general menos de 1 mV; por tanto, se denominaron potenciales de placa terminal en miniatura (MEPP). En 1954, la introducción de las primeras imágenes microscópicas electrónicas de terminales postsinápticas reveló que estos MEPP fueron creados por vesículas sinápticas que transportan neurotransmisores. La naturaleza esporádica de la liberación de cantidades cuánticas de neurotransmisor llevó a la "hipótesis de la vesícula" de Katz y del Castillo, que atribuye la cuantificación de la liberación del transmisor a su asociación con vesículas sinápticas. Esto también le indicó a Katz que la generación de potencial de acción puede desencadenarse por la suma de estas unidades individuales, cada una equivalente a un MEPP.
Tipos
En cualquier momento dado, una neurona puede recibir potenciales postsinápticos de miles de otras neuronas. Si se alcanza el umbral y se genera un potencial de acción, depende de la suma espacial (es decir, de múltiples neuronas) y temporal (de una sola neurona) de todas las entradas en ese momento. Tradicionalmente se piensa que cuanto más cerca está una sinapsis del cuerpo celular de la neurona, mayor es su influencia en la suma final. Esto se debe a que los potenciales postsinápticos viajan a través de dendritas que contienen una baja concentración de canales iónicos activados por voltaje . Por lo tanto, el potencial postsináptico se atenúa cuando llega al cuerpo de la neurona. El cuerpo de la célula neuronal actúa como una computadora integrando (sumando o sumando) los potenciales entrantes. Luego, el potencial neto se transmite al montículo del axón , donde se inicia el potencial de acción. Otro factor que debe considerarse es la suma de las entradas sinápticas excitatorias e inhibitorias. La suma espacial de una entrada inhibitoria anulará una entrada excitadora. Este efecto ampliamente observado se denomina "derivación" inhibitoria de los EPSP.
Suma espacial
La suma espacial es un mecanismo para provocar un potencial de acción en una neurona con información de múltiples células presinápticas. Es la suma algebraica de potenciales de diferentes áreas de entrada, generalmente en las dendritas . La suma de los potenciales postsinápticos excitadores aumenta la probabilidad de que el potencial alcance el potencial umbral y genere un potencial de acción, mientras que la suma de los potenciales postsinápticos inhibidores puede evitar que la célula logre un potencial de acción. Cuanto más cerca esté la entrada dendrítica del montículo del axón, más influirá el potencial en la probabilidad de disparo de un potencial de acción en la célula postsináptica.
Suma temporal
La suma temporal ocurre cuando una alta frecuencia de potenciales de acción en la neurona presináptica provoca potenciales postsinápticos que se suman entre sí. La duración de un potencial postsináptico es mayor que el intervalo entre los potenciales de acción entrantes. Si la constante de tiempo de la membrana celular es suficientemente larga, como es el caso del cuerpo celular, entonces la cantidad de suma aumenta. La amplitud de un potencial postsináptico en el momento en que comienza el siguiente se sumará algebraicamente con él, generando un potencial mayor que los potenciales individuales. Esto permite que el potencial de membrana alcance el umbral para generar un potencial de acción.
Mecanismo
Los neurotransmisores se unen a receptores que abren o cierran canales iónicos en la célula postsináptica creando potenciales postsinápticos (PSP). Estos potenciales alteran las posibilidades de que ocurra un potencial de acción en una neurona postsináptica. Las PSP se consideran excitadoras si aumentan la probabilidad de que ocurra un potencial de acción e inhibidoras si disminuyen las posibilidades.
El glutamato como ejemplo excitador
El neurotransmisor glutamato, por ejemplo, es predominantemente conocido por desencadenar potenciales postsinápticos excitadores (EPSP) en vertebrados. La manipulación experimental puede provocar la liberación del glutamato a través de la estimulación no tetánica de una neurona presináptica. El glutamato luego se une a los receptores AMPA contenidos en la membrana postsináptica provocando el influjo de átomos de sodio cargados positivamente. Este flujo de sodio hacia el interior conduce a una despolarización a corto plazo de la neurona postsináptica y una EPSP. Si bien una sola despolarización de este tipo puede no tener mucho efecto sobre la neurona postsináptica, las despolarizaciones repetidas causadas por la estimulación de alta frecuencia pueden conducir a la suma de EPSP y a superar el potencial umbral.
GABA como ejemplo inhibitorio
A diferencia del glutamato, el neurotransmisor GABA funciona principalmente para desencadenar potenciales postsinápticos inhibidores (IPSP) en vertebrados. La unión de GABA a un receptor postsináptico provoca la apertura de canales iónicos que provocan una entrada de iones cloruro cargados negativamente en la célula o una salida de iones potasio cargados positivamente fuera de la célula. El efecto de estas dos opciones es la hiperpolarización de la célula postsináptica o IPSP. La suma con otros IPSP y EPSP contrastantes determina si el potencial postsináptico alcanzará el umbral y provocará que se active un potencial de acción en la neurona postsináptica.
EPSP y despolarización
Siempre que el potencial de membrana esté por debajo del umbral para disparar impulsos, el potencial de membrana puede sumar las entradas. Es decir, si el neurotransmisor en una sinapsis causa una pequeña despolarización, una liberación simultánea del transmisor en otra sinapsis ubicada en otra parte del mismo cuerpo celular se sumará para causar una despolarización mayor. Esto se llama suma espacial y se complementa con suma temporal, en la que las sucesivas liberaciones de transmisor de una sinapsis causarán un cambio de polarización progresivo siempre que los cambios presinápticos ocurran más rápido que la tasa de desintegración de los cambios de potencial de membrana en la neurona postsináptica. Los efectos de los neurotransmisores duran varias veces más que los impulsos presinápticos y, por lo tanto, permiten la suma del efecto. Por lo tanto, el EPSP se diferencia de los potenciales de acción de una manera fundamental: suma las entradas y expresa una respuesta graduada, a diferencia de la respuesta de todo o nada de la descarga de impulso.
IPSP e hiperpolarización
Al mismo tiempo que una neurona postsináptica determinada recibe y suma un neurotransmisor excitador, también puede estar recibiendo mensajes contradictorios que le dicen que deje de disparar. Estas influencias inhibitorias (IPSP) están mediadas por sistemas de neurotransmisores inhibidores que provocan la hiperpolarización de las membranas postsinápticas. Estos efectos generalmente se atribuyen a la apertura de canales iónicos selectivos que permiten que el potasio intracelular salga de la célula postsináptica o que ingrese el cloruro extracelular. En cualquier caso, el efecto neto es aumentar la negatividad intracelular y alejar el potencial de membrana del umbral para generar impulsos.
EPSP, IPSP y procesamiento algebraico
Cuando los EPSP y los IPSP se generan simultáneamente en la misma celda, la respuesta de salida estará determinada por las fuerzas relativas de las entradas excitadoras e inhibidoras. Por tanto, las instrucciones de salida están determinadas por este procesamiento algebraico de información. Debido a que el umbral de descarga a través de una sinapsis es una función de las descargas presinápticas que actúan sobre ella, y debido a que una neurona dada puede recibir ramas de muchos axones, el paso de impulsos en una red de tales sinapsis puede ser muy variado. La versatilidad de la sinapsis surge de su capacidad para modificar la información sumando algebraicamente las señales de entrada. El cambio subsiguiente en el umbral de estimulación de la membrana postsináptica se puede potenciar o inhibir, dependiendo de la sustancia química transmisora involucrada y las permeabilidades de los iones. Por lo tanto, la sinapsis actúa como un punto de decisión en el que converge la información y se modifica mediante el procesamiento algebraico de los EPSP y los IPSP. Además del mecanismo inhibidor de IPSP, existe un tipo de inhibición presináptica que implica una hiperpolarización en el axón inhibido o una despolarización persistente; si es el primero o el último depende de las neuronas específicas involucradas.
La investigación actual
Los microelectrodos utilizados por Katz y sus contemporáneos palidecen en comparación con las técnicas de grabación tecnológicamente avanzadas disponibles en la actualidad. La suma espacial comenzó a recibir mucha atención de la investigación cuando se desarrollaron técnicas que permitían el registro simultáneo de múltiples loci en un árbol dendrítico. Muchos experimentos involucran el uso de neuronas sensoriales, especialmente neuronas ópticas, porque están incorporando constantemente una frecuencia variable de estímulos tanto inhibitorios como excitadores. Los estudios modernos de la suma neural se centran en la atenuación de los potenciales postsinápticos en las dendritas y el cuerpo celular de una neurona. Se dice que estas interacciones no son lineales, porque la respuesta es menor que la suma de las respuestas individuales. A veces, esto puede deberse a un fenómeno causado por inhibición llamado derivación , que es la disminución de la conductancia de los potenciales postsinápticos excitadores.
La inhibición de la derivación se muestra en el trabajo de Michael Ariel y Naoki Kogo, quienes experimentaron con el registro de células completas en el núcleo óptico basal de la tortuga. Su trabajo mostró que la suma espacial de los potenciales postsinápticos excitadores e inhibidores causó la atenuación de la respuesta excitadora durante la respuesta inhibitoria la mayor parte del tiempo. También notaron un aumento temporal de la respuesta excitadora que se produce después de la atenuación. Como control, probaron la atenuación cuando los canales sensibles al voltaje fueron activados por una corriente de hiperpolarización. Llegaron a la conclusión de que la atenuación no se debe a la hiperpolarización, sino a la apertura de los canales de los receptores sinápticos que provocan variaciones en la conductancia.
Posibles aplicaciones terapéuticas
Con respecto a la estimulación nociceptiva , la suma espacial es la capacidad de integrar entradas dolorosas de grandes áreas, mientras que la suma temporal se refiere a la capacidad de integrar estímulos nociceptivos repetitivos. El dolor generalizado y duradero son características de muchos síndromes de dolor crónico. Esto sugiere que tanto las sumas espaciales como temporales son importantes en las condiciones de dolor crónico. De hecho, a través de experimentos de estimulación por presión, se ha demostrado que la suma espacial facilita la suma temporal de las entradas nociceptivas, específicamente el dolor por presión. Por lo tanto, apuntar a los mecanismos de suma tanto espaciales como temporales simultáneamente puede beneficiar el tratamiento de las condiciones de dolor crónico.