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Potencial umbral

A. Una representación esquemática de un potencial de acción idealizado ilustra sus diversas fases a medida que el potencial de acción pasa por un punto de la membrana celular . ...

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A. Una representación esquemática de un potencial de acción idealizado ilustra sus diversas fases a medida que el potencial de acción pasa por un punto de la membrana celular . B. Los registros reales de potenciales de acción suelen estar distorsionados en comparación con la representación esquemática debido a las variaciones en las técnicas electrofisiológicas utilizadas para realizar el registro.

En electrofisiología , el potencial umbral es el nivel crítico al que debe despolarizarse un potencial de membrana para iniciar un potencial de acción . En neurociencia , los potenciales umbral son necesarios para regular y propagar la señalización tanto en el sistema nervioso central (SNC) como en el sistema nervioso periférico (SNP).

Generalmente, el potencial umbral es un valor de potencial de membrana entre –50 y –55 ​​mV [ 1 ] , pero puede variar según varios factores. El potencial de membrana en reposo de una neurona (–70 mV) puede alterarse para aumentar o disminuir la probabilidad de alcanzar el umbral mediante iones de sodio y potasio . Un influjo de sodio en la célula a través de canales de sodio abiertos y dependientes de voltaje puede despolarizar la membrana más allá del umbral y, por lo tanto, excitarla, mientras que un eflujo de potasio o un influjo de cloruro pueden hiperpolarizar la célula y, por lo tanto, impedir que se alcance el umbral.

Descubrimiento

Los experimentos iniciales giraron en torno al concepto de que cualquier cambio eléctrico que se produzca en las neuronas debe ocurrir a través de la acción de iones. El químico físico alemán Walther Nernst aplicó este concepto en experimentos para descubrir la excitabilidad nerviosa y concluyó que el proceso excitatorio local a través de una membrana semipermeable depende de la concentración iónica. Además, se demostró que la concentración iónica era el factor limitante de la excitación. Si se alcanzaba la concentración iónica adecuada, la excitación ocurriría sin duda. [ 2 ] Esta fue la base para descubrir el valor umbral.

Además de reconstruir el potencial de acción en la década de 1950, Alan Lloyd Hodgkin y Andrew Huxley también lograron determinar experimentalmente el mecanismo que subyace al umbral de excitación. Este mecanismo se conoce como el modelo de Hodgkin-Huxley . Mediante técnicas de fijación de voltaje en un axón gigante de calamar , descubrieron que los tejidos excitables generalmente presentan el fenómeno de que se debe alcanzar un cierto potencial de membrana para generar un potencial de acción. Dado que el experimento arrojó resultados a través de la observación de cambios en la conductancia iónica, Hodgkin y Huxley utilizaron estos términos para describir el potencial umbral. Inicialmente sugirieron que debía existir una discontinuidad en la conductancia del sodio o del potasio, pero en realidad ambas conductancias tendían a variar suavemente junto con el potencial de membrana. [ 3 ]

Pronto descubrieron que, en el potencial umbral, las corrientes de entrada y salida de iones de sodio y potasio, respectivamente, eran exactamente iguales y opuestas. A diferencia del potencial de membrana en reposo , las condiciones del potencial umbral presentaban un equilibrio de corrientes inestable. La inestabilidad se refiere al hecho de que cualquier despolarización adicional activa aún más canales de sodio dependientes de voltaje, y la corriente despolarizante de sodio entrante supera la corriente de salida retardada de potasio. [ 4 ] En el nivel de reposo, por otro lado, las corrientes de potasio y sodio son iguales y opuestas de manera estable, donde no debería producirse un flujo repentino y continuo de iones. La base es que, a cierto nivel de despolarización, cuando las corrientes son iguales y opuestas de manera inestable, cualquier entrada adicional de carga positiva genera un potencial de acción. Este valor específico de despolarización (en mV) se conoce como potencial umbral.

Función y características fisiológicas

El valor umbral controla si los estímulos entrantes son suficientes para generar un potencial de acción. Depende de un equilibrio entre los estímulos inhibitorios y excitatorios entrantes. Los potenciales generados por los estímulos son aditivos y pueden alcanzar el umbral según su frecuencia y amplitud. El funcionamiento normal del sistema nervioso central implica una suma de entradas sinápticas realizadas principalmente en el árbol dendrítico de una neurona. Estos potenciales graduados locales, que se asocian principalmente con estímulos externos, llegan al segmento inicial del axón y se acumulan hasta alcanzar el valor umbral. [ 5 ] Cuanto mayor sea el estímulo, mayor será la despolarización o el intento de alcanzar el umbral. La tarea de despolarización requiere varios pasos clave que dependen de factores anatómicos de la célula. Las conductancias iónicas involucradas dependen del potencial de membrana y también del tiempo transcurrido después de los cambios en el potencial de membrana. [ 6 ]

Potencial de membrana en reposo

La bicapa fosfolipídica de la membrana celular es, en sí misma, altamente impermeable a los iones. La estructura completa de la membrana celular incluye muchas proteínas que están incrustadas en la bicapa lipídica o la atraviesan por completo. Algunas de estas proteínas permiten el paso altamente específico de iones, los canales iónicos . Los canales de potasio de fuga permiten que el potasio fluya a través de la membrana en respuesta a la disparidad en las concentraciones de potasio dentro (alta concentración) y fuera de la célula (baja). La pérdida de cargas positivas (+) de los iones de potasio (K+) desde el interior de la célula resulta en un potencial negativo allí en comparación con la superficie extracelular de la membrana. [ 7 ] Una "fuga" mucho menor de sodio (Na+) hacia el interior de la célula resulta en que el potencial de reposo real, alrededor de  –70 mV, sea menos negativo que el potencial calculado para K+ solo, el potencial de equilibrio, alrededor de  –90 mV. [ 7 ] La ATPasa de sodio-potasio es un transportador activo dentro de la membrana que bombea potasio (2 iones) de vuelta a la célula y sodio (3 iones) fuera de la célula, manteniendo las concentraciones de ambos iones y preservando la polarización de voltaje.

Despolarización

Sin embargo, una vez que un estímulo activa los canales de sodio dependientes de voltaje para que se abran, los iones de sodio positivos inundan la célula y el voltaje aumenta. Este proceso también puede iniciarse por la unión de un ligando o neurotransmisor a un canal regulado por ligando . Hay más sodio fuera de la célula en relación con el interior, y la carga positiva dentro de la célula impulsa la salida de iones de potasio a través de los canales de potasio dependientes de voltaje de rectificación retardada. Dado que los canales de potasio dentro de la membrana celular son retardados, cualquier entrada adicional de sodio activa más y más canales de sodio dependientes de voltaje. La despolarización por encima del umbral resulta en un aumento en la conductancia de Na suficiente para que el movimiento de sodio hacia adentro supere inmediatamente el movimiento de potasio hacia afuera. [ 3 ] Si el influjo de iones de sodio no alcanza el umbral, entonces la conductancia de sodio no aumenta lo suficiente como para superar la conductancia de potasio en reposo. En ese caso, se observan oscilaciones del potencial de membrana subumbral en algunos tipos de neuronas. Si tiene éxito, la entrada repentina de carga positiva despolariza la membrana, y el potasio tarda en restablecer, o hiperpolarizar, la célula. La entrada de sodio despolariza la célula en un intento por establecer su propio potencial de equilibrio (aproximadamente +52 mV) para que el interior de la célula sea más positivo en relación con el exterior.

Variaciones

El valor del umbral puede variar según numerosos factores. Los cambios en la conductancia iónica del sodio o el potasio pueden provocar un aumento o una disminución del valor del umbral. Además, el diámetro del axón, la densidad de los canales de sodio activados por voltaje y las propiedades de los canales de sodio dentro del axón afectan al valor del umbral. [ 8 ] Normalmente, en el axón o la dendrita, existen pequeñas señales despolarizantes o hiperpolarizantes resultantes de un estímulo previo. La propagación pasiva de estas señales depende de las propiedades eléctricas pasivas de la célula. Las señales solo pueden continuar a lo largo de la neurona para provocar un potencial de acción más adelante si son lo suficientemente fuertes como para superar la resistencia y la capacitancia de la membrana celular. Por ejemplo, una neurona con un diámetro grande tiene más canales iónicos en su membrana que una célula más pequeña, lo que resulta en una menor resistencia al flujo de corriente iónica. La corriente se propaga más rápidamente en una célula con menor resistencia y es más probable que alcance el umbral en otras partes de la neurona. [ 3 ]

También se ha demostrado experimentalmente que el potencial umbral se adapta a cambios lentos en las características de entrada regulando la densidad de los canales de sodio, así como inactivándolos por completo. La hiperpolarización por los canales de potasio rectificadores retardados provoca un período refractario relativo que dificulta mucho alcanzar el umbral. Estos canales son responsables de la fase tardía de salida del potencial de acción, donde se abren con un estímulo de voltaje diferente al de los canales de sodio, que se activan rápidamente. Rectifican, o reparan, el equilibrio de iones a través de la membrana abriéndose y permitiendo que el potasio fluya a favor de su gradiente de concentración desde el interior hacia el exterior de la célula. También se cierran lentamente, lo que resulta en un flujo de carga positiva hacia el exterior que excede el equilibrio necesario. Esto produce un exceso de negatividad en la célula, lo que requiere un estímulo extremadamente grande y la consiguiente despolarización para provocar una respuesta.

Técnicas de seguimiento

Las técnicas de seguimiento del umbral evalúan la excitabilidad nerviosa y dependen de las propiedades de las membranas axonales y los sitios de estimulación. Son extremadamente sensibles al potencial de membrana y a sus variaciones. Estas pruebas permiten medir y comparar un umbral de control (o umbral en reposo) con un umbral producido por un cambio en el entorno, un impulso único previo, un tren de impulsos o una corriente subumbral. [ 9 ] La medición de los cambios en el umbral puede indicar variaciones en el potencial de membrana, las propiedades axonales y/o la integridad de la vaina de mielina .

El seguimiento del umbral permite ajustar la intensidad de un estímulo de prueba mediante un ordenador para activar una fracción definida del potencial máximo del nervio o músculo. Un experimento de seguimiento del umbral consiste en aplicar un estímulo de 1 ms a un nervio a intervalos regulares. [ 10 ] El potencial de acción se registra aguas abajo del impulso desencadenante. El estímulo se reduce automáticamente en pasos de un porcentaje fijo hasta que la respuesta cae por debajo del objetivo (generación de un potencial de acción). Posteriormente, el estímulo se aumenta o disminuye según si la respuesta anterior fue menor o mayor que la respuesta objetivo hasta que se establece un umbral de reposo (o de control). La excitabilidad del nervio puede entonces modificarse alterando el entorno nervioso o aplicando corrientes adicionales. Dado que el valor de una única corriente umbral proporciona poca información valiosa porque varía dentro y entre sujetos, los pares de mediciones de umbral, que comparan el umbral de control con los umbrales producidos por refractariedad, supernormalidad, constante de tiempo de intensidad-duración o "electrotono de umbral", son más útiles en el estudio científico y clínico. [ 11 ]

El seguimiento del umbral presenta ventajas sobre otras técnicas electrofisiológicas , como el método de estímulo constante. Esta técnica permite registrar los cambios de umbral dentro de un rango dinámico del 200 % y, en general, proporciona una mayor comprensión de las propiedades axonales que otras pruebas. [ 12 ] Además, esta técnica permite cuantificar los cambios de umbral, lo que, al convertirse matemáticamente en porcentaje, puede utilizarse para comparar preparaciones de fibras individuales y multifibra, diferentes regiones neuronales y la excitabilidad nerviosa en distintas especies. [ 12 ]

"Electrotono umbral"

Una técnica específica de seguimiento del umbral es el electrotono de umbral , que utiliza la configuración de seguimiento del umbral para producir corrientes despolarizantes o hiperpolarizantes subumbrales de larga duración dentro de una membrana. Los cambios en la excitabilidad celular pueden observarse y registrarse mediante la creación de estas corrientes de larga duración. La disminución del umbral es evidente durante la despolarización extensa, y el aumento del umbral es evidente con la hiperpolarización extensa. Con la hiperpolarización, hay un aumento en la resistencia de la membrana internodal debido al cierre de los canales de potasio, y la gráfica resultante se "abrela". La despolarización produce el efecto opuesto, activando los canales de potasio, produciendo una gráfica que se "acerca". [ 13 ]

El factor más importante que determina el electrotono umbral es el potencial de membrana, por lo que el electrotono umbral también puede utilizarse como índice de dicho potencial. Además, puede emplearse para identificar características de afecciones médicas importantes comparando los efectos de estas afecciones sobre el potencial umbral con los efectos observados experimentalmente. Por ejemplo, la isquemia y la despolarización provocan el mismo efecto de "amplitud" en las ondas del electrotono. Esta observación lleva a la conclusión de que la isquemia puede ser consecuencia de la sobreactivación de los canales de potasio. [ 14 ]

Importancia clínica

El papel del potencial umbral se ha visto implicado en un contexto clínico, concretamente en el funcionamiento del propio sistema nervioso, así como en el sistema cardiovascular.

Convulsiones febriles

Una crisis febril , o "ataque febril", es una convulsión asociada con un aumento significativo de la temperatura corporal , que ocurre con mayor frecuencia en la primera infancia. Los episodios repetidos de crisis febriles en la infancia se asocian con un mayor riesgo de epilepsia del lóbulo temporal en la edad adulta. [ 15 ]

Mediante la técnica de registro de patch clamp , se replicó un estado análogo in vitro en neuronas corticales de rata tras la inducción de fiebre; se observó una disminución notable del potencial umbral. El mecanismo de esta disminución posiblemente implique la supresión de la inhibición mediada por el receptor GABA B ante una exposición excesiva al calor. [ 15 ]

ELA y diabetes

Se han observado anomalías en la excitabilidad neuronal en pacientes con esclerosis lateral amiotrófica y diabetes . Si bien el mecanismo responsable de la variabilidad difiere entre ambas afecciones, las pruebas de respuesta a la isquemia indican una resistencia similar, irónicamente, a la isquemia y a las parestesias resultantes. Dado que la isquemia se produce por inhibición de la bomba de sodio-potasio, se implican anomalías en el potencial umbral. [ 12 ]

Arritmia

Desde la década de 1940, se ha establecido el concepto de despolarización diastólica, o " potencial de marcapasos "; este mecanismo es una característica distintiva del tejido cardíaco. [ 16 ] Cuando se alcanza el umbral y se activa el potencial de acción resultante, se produce un latido cardíaco como consecuencia de las interacciones; sin embargo, cuando este latido se produce de forma irregular, puede producirse una afección potencialmente grave conocida como arritmia .

Uso de medicamentos

Diversos fármacos pueden presentar la prolongación del intervalo QT como efecto secundario. Esta prolongación se debe a un retraso en la inactivación de los canales de sodio y calcio ; sin una inactivación adecuada de estos canales, el potencial umbral se alcanza prematuramente, lo que tiende a provocar arritmias. [ 17 ] Estos fármacos, conocidos como agentes proarrítmicos, incluyen antimicrobianos, antipsicóticos, metadona e, irónicamente, agentes antiarrítmicos . [ 18 ] El uso de estos agentes es particularmente frecuente en las unidades de cuidados intensivos, y se debe tener especial cuidado cuando se prolongan los intervalos QT en estos pacientes: las arritmias resultantes de la prolongación del intervalo QT incluyen la taquicardia ventricular polimórfica (torsades de pointes o TdP), potencialmente mortal. [ 17 ]

Papel de la dieta

La dieta puede ser una variable en el riesgo de arritmia. Los ácidos grasos poliinsaturados , presentes en los aceites de pescado y varios aceites vegetales, [ 19 ] desempeñan un papel en la prevención de arritmias. [ 20 ] Al inhibir la corriente de sodio dependiente del voltaje, estos aceites desplazan el potencial umbral a un valor más positivo; por lo tanto, un potencial de acción requiere una mayor despolarización. [ 20 ] El uso clínico terapéutico de estos extractos sigue siendo objeto de investigación, pero se ha establecido una fuerte correlación entre el consumo regular de aceite de pescado y una menor frecuencia de hospitalización por fibrilación auricular, una arritmia grave y cada vez más común. [ 21 ]

Notas

  1. ^ Seifter, Ratner y Sloane 2005 , pág. 55.
  2. ↑ Rushton 1927 , pág. 358.
  3. 1 2 3 Nicholls et al. 2012 , pág. 121.
  4. ↑ Nicholls et al. 2012 , pág. 122.
  5. ↑ Stuart et al. 1997 , pág. 127.
  6. ↑ Trautwein 1963 , pág. 330.
  7. 1 2 Nicholls et al. 2012 , pág. 144.
  8. ↑ Trautwein 1963 , pág. 281.
  9. ↑ Bostock, Cikurel y Burke 1998 , pág. 137.
  10. ↑ Bostock, Cikurel y Burke 1998 , pág. 138.
  11. ↑ Burke, Kiernan y Bostock 2001 , pág. 1576.
  12. 1 2 3 Bostock, Cikurel y Burke 1998 , pág. 141.
  13. ↑ Burke, Kiernan y Bostock 2001 , pág. 1581.
  14. ↑ Bostock, Cikurel y Burke 1998 , pág. 150.
  15. 1 2 Wang et al. 2011 , pág. 87.
  16. ↑ Monfredi y col. 2010 , pág. 1392.
  17. 1 2 Nelson y Leung 2011 , pág. 292.
  18. ↑ Nelson y Leung 2011 , pág. 291.
  19. ↑ "Grasas poliinsaturadas" . Asociación Americana del Corazón . Consultado el 22 de mayo de 2018 .
  20. ^ Savelieva , Kourliouros y Camm 2010 , pág. 213.
  21. ^ Savelieva, Kourliouros y Camm 2010 , págs .

Referencias

  • Bostock, Hugh; Cikurel, Katia; Burke, David (1998). "Técnicas de seguimiento del umbral en el estudio del nervio periférico humano". Muscle & Nerve . 21 (2): 137– 158. doi : 10.1002/(SICI)1097-4598(199802)21:2 < 137::AID-MUS1 > 3.0.CO ; 2 -C . PMID 9466589. S2CID 2914214 .  
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