Potencial de acción

Todas las células de los tejidos corporales animales están polarizadas eléctricamente ; es decir, mantienen una diferencia de voltaje a través de la membrana plasmática celular , conocida como potencial de membrana . Esta polarización eléctrica resulta de una compleja interacción entre estructuras proteicas incrustadas en la membrana, llamadas bombas iónicas y canales iónicos . En las neuronas, los tipos de canales iónicos en la membrana suelen variar en las diferentes partes de la célula, lo que confiere a las dendritas , el axón y el cuerpo celular propiedades eléctricas distintas. Como resultado, algunas partes de la membrana de una neurona pueden ser excitables (capaces de generar potenciales de acción), mientras que otras no. Estudios recientes han demostrado que la parte más excitable de una neurona es la que se encuentra después del cono axónico (el punto donde el axón abandona el cuerpo celular), denominada segmento inicial axonal , aunque el axón y el cuerpo celular también son excitables en la mayoría de los casos. ^{[ 6 ]}

Cada segmento excitable de la membrana tiene dos niveles importantes de potencial de membrana: el potencial de reposo , que es el valor que mantiene mientras nada perturba la célula, y un valor más alto llamado potencial umbral . En el cono axónico de una neurona típica, el potencial de reposo es de alrededor de -70 milivoltios (mV) y el potencial umbral es de alrededor de -55 mV. Las entradas sinápticas a una neurona provocan la despolarización o hiperpolarización de la membrana ; es decir, provocan que el potencial de membrana aumente o disminuya. Los potenciales de acción se desencadenan cuando se acumula suficiente despolarización para elevar el potencial de membrana hasta el umbral. Cuando se desencadena un potencial de acción, el potencial de membrana aumenta bruscamente y luego disminuye bruscamente, a menudo terminando por debajo del nivel de reposo, donde permanece durante un cierto período de tiempo. La forma del potencial de acción es estereotipada; esto significa que el aumento y la disminución generalmente tienen aproximadamente la misma amplitud y duración para todos los potenciales de acción en una célula dada. (Las excepciones se analizan más adelante en el artículo). En la mayoría de las neuronas, todo el proceso se desarrolla en aproximadamente una milésima de segundo. Muchos tipos de neuronas emiten potenciales de acción constantemente a una frecuencia de hasta 10 a 100 por segundo. Sin embargo, algunos tipos son mucho más silenciosos y pueden pasar minutos o más tiempo sin emitir ningún potencial de acción.

La capacidad de una neurona para generar y propagar un potencial de acción cambia durante el desarrollo . La magnitud del cambio en el potencial de membrana de una neurona como resultado de un impulso de corriente depende de la resistencia de entrada de la membrana . A medida que una célula crece, se añaden más canales a la membrana, lo que provoca una disminución de la resistencia de entrada. Una neurona madura también experimenta cambios más cortos en el potencial de membrana en respuesta a las corrientes sinápticas. Las neuronas del núcleo geniculado lateral de un hurón tienen una constante de tiempo más larga y una mayor deflexión de voltaje en P0 que en P30. ^{[ 15 ]} Una consecuencia de la disminución de la duración del potencial de acción es que la fidelidad de la señal se puede preservar en respuesta a la estimulación de alta frecuencia. Las neuronas inmaduras son más propensas a la depresión sináptica que a la potenciación después de la estimulación de alta frecuencia. ^{[ 15 ]}

En el desarrollo temprano de muchos organismos, el potencial de acción es transportado inicialmente por la corriente de calcio en lugar de la corriente de sodio . La cinética de apertura y cierre de los canales de calcio durante el desarrollo es más lenta que la de los canales de sodio dependientes de voltaje que transportarán el potencial de acción en las neuronas maduras. Los tiempos de apertura más prolongados de los canales de calcio pueden dar lugar a potenciales de acción considerablemente más lentos que los de las neuronas maduras. ^{[ 15 ]} Las neuronas de Xenopus inicialmente tienen potenciales de acción que duran entre 60 y 90 ms. Durante el desarrollo, este tiempo disminuye a 1 ms. Hay dos razones para esta drástica disminución. Primero, la corriente de entrada pasa a ser transportada principalmente por los canales de sodio. ^{[ 16 ]} Segundo, el rectificador retardado , una corriente del canal de potasio , aumenta a 3,5 veces su fuerza inicial. ^{[ 15 ]}

Para que se produzca la transición de un potencial de acción dependiente de calcio a uno dependiente de sodio, deben añadirse nuevos canales a la membrana. Si las neuronas de Xenopus se cultivan en un entorno con inhibidores de la síntesis de ARN o de proteínas , dicha transición se impide. ^{[ 17 ]} Incluso la actividad eléctrica de la propia célula puede influir en la expresión de los canales. Si se bloquean los potenciales de acción en los miocitos de Xenopus , se impide o retrasa el aumento típico de la densidad de corriente de sodio y potasio. ^{[ 18 ]}

Esta maduración de las propiedades eléctricas se observa en diversas especies. Las corrientes de sodio y potasio de Xenopus aumentan drásticamente después de que una neurona atraviesa su fase final de mitosis . La densidad de corriente de sodio de las neuronas corticales de rata aumenta un 600 % durante las dos primeras semanas posnatales. ^{[ 15 ]}

Dendrita

Soma

Axón

Núcleo

Nodo de Ranvier

Terminal del axón

célula de Schwann

vaina de mielina

Estructura de una neurona típica

Diversos tipos de células generan un potencial de acción, como las células vegetales, las células musculares y las células especializadas del corazón (donde se produce el potencial de acción cardíaco ). Sin embargo, la principal célula excitable es la neurona , que además posee el mecanismo más sencillo para generar el potencial de acción.

Las neuronas son células eléctricamente excitables compuestas, en general, por una o más dendritas, un soma , un axón y una o más terminales axónicas . Las dendritas son proyecciones celulares cuya función principal es recibir señales sinápticas. Sus prolongaciones, conocidas como espinas dendríticas , están diseñadas para capturar los neurotransmisores liberados por la neurona presináptica. Poseen una alta concentración de canales iónicos regulados por ligando . Estas espinas tienen un cuello delgado que conecta una prolongación bulbosa con la dendrita. Esto garantiza que los cambios que ocurren dentro de la espina tengan menos probabilidades de afectar a las espinas vecinas. La espina dendrítica puede, con raras excepciones (véase LTP ), actuar como una unidad independiente. Las dendritas se extienden desde el soma, que alberga el núcleo y muchos de los orgánulos eucariotas "normales" . A diferencia de las espinas, la superficie del soma está poblada por canales iónicos activados por voltaje. Estos canales ayudan a transmitir las señales generadas por las dendritas. El cono axónico emerge del soma . Esta región se caracteriza por tener una concentración muy alta de canales de sodio activados por voltaje. En general, se considera la zona de iniciación de los potenciales de acción, ^{[ 19 ]} es decir, la zona de activación . Múltiples señales generadas en las espinas y transmitidas por el soma convergen aquí. Inmediatamente después del cono axónico se encuentra el axón. Este es una delgada protrusión tubular que se aleja del soma. El axón está aislado por una vaina de mielina . La mielina está compuesta por células de Schwann (en el sistema nervioso periférico) u oligodendrocitos (en el sistema nervioso central), ambos tipos de células gliales . Aunque las células gliales no participan en la transmisión de señales eléctricas, se comunican y proporcionan un importante soporte bioquímico a las neuronas. ^{[ 20 ]} Específicamente, la mielina envuelve varias veces el segmento axonal, formando una gruesa capa grasa que impide que los iones entren o salgan del axón. Este aislamiento previene una atenuación significativa de la señal y, además, garantiza una mayor velocidad de transmisión. Sin embargo, este aislamiento tiene la limitación de que no puede haber canales iónicos en la superficie del axón. Por lo tanto, existen parches de membrana espaciados regularmente que carecen de aislamiento. Estos nódulos de Ranvier pueden considerarse "mini conos axónicos", ya que su función es amplificar la señal para evitar una atenuación significativa. En el extremo más alejado, el axón pierde su aislamiento y comienza a ramificarse en varias terminales axónicas.Estos terminales presinápticos, o botones sinápticos, son un área especializada dentro del axón de la célula presináptica que contiene neurotransmisores encerrados en pequeñas esferas rodeadas de membrana llamadas vesículas sinápticas .

Antes de considerar la propagación de potenciales de acción a lo largo de los axones y su terminación en los botones sinápticos, es útil considerar los métodos por los cuales los potenciales de acción pueden iniciarse en el cono axónico . El requisito básico es que el voltaje de membrana en el cono se eleve por encima del umbral de disparo. ^{[ 8 ] [ 9 ] [ 21 ] [ 22 ]} Hay varias formas en que puede ocurrir esta despolarización.

Los potenciales de acción se inician con mayor frecuencia mediante potenciales postsinápticos excitatorios de una neurona presináptica. ^{[ 23 ]} Normalmente, la neurona presináptica libera moléculas de neurotransmisores . Estos neurotransmisores se unen a receptores en la célula postsináptica. Esta unión abre diversos tipos de canales iónicos . Esta apertura tiene el efecto adicional de cambiar la permeabilidad local de la membrana celular y, por lo tanto, el potencial de membrana. Si la unión aumenta el voltaje (despolariza la membrana), la sinapsis es excitatoria. Sin embargo, si la unión disminuye el voltaje (hiperpolariza la membrana), es inhibitoria. Ya sea que el voltaje aumente o disminuya, el cambio se propaga pasivamente a regiones cercanas de la membrana (como se describe en la ecuación del cable y sus refinamientos). Normalmente, el estímulo de voltaje decae exponencialmente con la distancia a la sinapsis y con el tiempo transcurrido desde la unión del neurotransmisor. Una fracción del voltaje excitatorio puede llegar al cono axónico y , en raras ocasiones, despolarizar la membrana lo suficiente como para generar un nuevo potencial de acción. Lo más habitual es que los potenciales excitatorios de varias sinapsis actúen simultáneamente para generar un nuevo potencial de acción. Sin embargo, estos esfuerzos conjuntos pueden verse contrarrestados por los potenciales postsinápticos inhibitorios .

La neurotransmisión también puede ocurrir a través de sinapsis eléctricas . ^{[ 24 ]} Debido a la conexión directa entre células excitables en forma de uniones comunicantes , un potencial de acción puede transmitirse directamente de una célula a otra en cualquier dirección. El libre flujo de iones entre las células permite una transmisión rápida no mediada químicamente. Los canales rectificadores aseguran que los potenciales de acción se muevan solo en una dirección a través de una sinapsis eléctrica. Las sinapsis eléctricas se encuentran en todos los sistemas nerviosos, incluido el cerebro humano, aunque constituyen una minoría. ^{[ 25 ]}

Se suele pensar que la amplitud de un potencial de acción es independiente de la cantidad de corriente que lo produjo. En otras palabras, corrientes mayores no crean potenciales de acción mayores. Por lo tanto, se dice que los potenciales de acción son señales de todo o nada , ya que o ocurren completamente o no ocurren en absoluto. ^{[ e ] [ f ] [ g ]} Esto contrasta con los potenciales de receptor , cuyas amplitudes dependen de la intensidad de un estímulo. ^{[ 26 ]} En ambos casos, la frecuencia de los potenciales de acción está correlacionada con la intensidad de un estímulo.

A pesar de que la visión clásica del potencial de acción como una señal estereotipada y uniforme ha dominado el campo de la neurociencia durante muchas décadas, nuevas evidencias sugieren que los potenciales de acción son eventos más complejos, capaces de transmitir información no solo a través de su amplitud, sino también de su duración y fase, a veces incluso a distancias que originalmente no se creían posibles. ^{[ 27 ] [ 28 ] [ 29 ] [ 30 ]}

En las neuronas sensoriales , una señal externa como la presión, la temperatura, la luz o el sonido se acopla con la apertura y el cierre de canales iónicos , que a su vez alteran la permeabilidad iónica de la membrana y su voltaje. ^{[ 31 ]} Estos cambios de voltaje pueden ser excitatorios (despolarizantes) o inhibitorios (hiperpolarizantes) y, en algunas neuronas sensoriales, sus efectos combinados pueden despolarizar el cono axónico lo suficiente como para provocar potenciales de acción. Algunos ejemplos en humanos incluyen la neurona receptora olfativa y el corpúsculo de Meissner , que son fundamentales para el sentido del olfato y del tacto , respectivamente. Sin embargo, no todas las neuronas sensoriales convierten sus señales externas en potenciales de acción; algunas ni siquiera tienen axón. ^{[ 32 ]} En cambio, pueden convertir la señal en la liberación de un neurotransmisor o en potenciales graduados continuos , cualquiera de los cuales puede estimular a la(s) neurona(s) subsiguiente(s) para que generen un potencial de acción. A modo de ejemplo, en el oído humano , las células ciliadas convierten el sonido entrante en la apertura y el cierre de canales iónicos regulados mecánicamente , lo que puede provocar la liberación de moléculas neurotransmisoras . De manera similar, en la retina humana, las células fotorreceptoras iniciales y la siguiente capa de células (que comprende células bipolares y células horizontales ) no producen potenciales de acción; solo algunas células amacrinas y la tercera capa, las células ganglionares , producen potenciales de acción, que luego viajan a través del nervio óptico .

En las neuronas sensoriales, los potenciales de acción resultan de un estímulo externo. Sin embargo, algunas células excitables no requieren tal estímulo para disparar: despolarizan espontáneamente su cono axónico y disparan potenciales de acción a un ritmo regular, como un reloj interno. ^{[ 33 ]} Los trazados de voltaje de dichas células se conocen como potenciales de marcapasos . ^{[ 34 ]} Las células marcapasos cardíacas del nodo sinoauricular en el corazón proporcionan un buen ejemplo. ^{[ h ]} Aunque estos potenciales de marcapasos tienen un ritmo natural , puede ajustarse mediante estímulos externos; por ejemplo, la frecuencia cardíaca puede alterarse mediante fármacos, así como señales de los nervios simpáticos y parasimpáticos . ^{[ 35 ]} Los estímulos externos no causan el disparo repetitivo de la célula, sino que simplemente alteran su sincronización. ^{[ 34 ]} En algunos casos, la regulación de la frecuencia puede ser más compleja, dando lugar a patrones de potenciales de acción, como las ráfagas .

Un potencial de acción típico comienza en el cono axónico ^{[ 42 ]} con una despolarización suficientemente fuerte, por ejemplo, un estímulo que aumenta V _m . Esta despolarización suele ser causada por la inyección de cationes de sodio adicionales en la célula; estos cationes pueden provenir de una amplia variedad de fuentes, como sinapsis químicas , neuronas sensoriales o potenciales marcapasos .

En una neurona en reposo, la concentración de iones sodio y cloruro en el líquido extracelular es mayor que en el líquido intracelular , mientras que la concentración de iones potasio en el líquido intracelular es mayor que en el líquido extracelular. La diferencia de concentraciones, que provoca el movimiento de iones de una zona de alta concentración a una de baja concentración , y los efectos electrostáticos (atracción de cargas opuestas) son responsables del movimiento de iones dentro y fuera de la neurona. El interior de la neurona tiene una carga negativa, en relación con el exterior celular, debido a la salida de iones K ⁺ de la célula. La membrana neuronal es más permeable a los iones K ⁺ que a otros iones, lo que permite que estos iones salgan selectivamente de la célula, siguiendo su gradiente de concentración. Este gradiente de concentración, junto con los canales de fuga de potasio presentes en la membrana neuronal, provoca una salida de iones potasio, lo que hace que el potencial de reposo se aproxime a E _K  ≈  −75  mV. ^{[ 43 ]} Dado que los iones Na ⁺ están en concentraciones más altas fuera de la célula, las diferencias de concentración y voltaje los impulsan hacia el interior de la célula cuando se abren los canales de Na ⁺ . La despolarización abre los canales de sodio y potasio en la membrana, permitiendo que los iones fluyan hacia dentro y hacia fuera del axón, respectivamente. Si la despolarización es pequeña (por ejemplo, aumentar V _m de −70  mV a −60  mV), la corriente de potasio hacia afuera supera la corriente de sodio hacia adentro y la membrana se repolariza de nuevo a su potencial de reposo normal alrededor de −70  mV. ^{[ 8 ] [ 9 ] [ 10 ]} Sin embargo, si la despolarización es lo suficientemente grande, la corriente de sodio hacia adentro aumenta más que la corriente de potasio hacia afuera y se produce una condición de fuga ( retroalimentación positiva ): cuanto más corriente hacia adentro hay, más aumenta V _{m , lo que a su vez aumenta aún más la corriente hacia adentro.} ^{[ 8 ] [ 11 ]} Una despolarización suficientemente fuerte (aumento en V _m ) provoca la apertura de los canales de sodio sensibles al voltaje; la creciente permeabilidad al sodio acerca V _m al voltaje de equilibrio del sodio E _Na ≈ +55  mV. El aumento del voltaje a su vez provoca la apertura de aún más canales de sodio, lo que empuja V _m aún más hacia E_Na . Esta retroalimentación positiva continúa hasta que los canales de sodio se abren completamente y V _m se acerca a E _Na . ^{[ 8 ] [ 9 ] [ 21 ] [ 22 ]} El fuerte aumento en V _m y la permeabilidad al sodio corresponden a la fase ascendente del potencial de acción. ^{[ 8 ] [ 9 ] [ 21 ] [ 22 ]}

El voltaje umbral crítico para esta condición de descontrol suele estar alrededor de −45  mV, pero depende de la actividad reciente del axón. Una célula que acaba de disparar un potencial de acción no puede disparar otro inmediatamente, ya que los canales de Na ⁺ no se han recuperado del estado inactivado. El período durante el cual no se puede disparar un nuevo potencial de acción se denomina período refractario absoluto . ^{[ 44 ] [ 45 ] [ 46 ]} En tiempos más prolongados, después de que algunos, pero no todos, los canales iónicos se hayan recuperado, el axón puede ser estimulado para producir otro potencial de acción, pero con un umbral más alto, lo que requiere una despolarización mucho más fuerte, por ejemplo, a −30  mV. El período durante el cual los potenciales de acción son inusualmente difíciles de evocar se denomina período refractario relativo . ^{[ 44 ] [ 45 ] [ 46 ]}

La retroalimentación positiva de la fase ascendente se ralentiza y se detiene cuando los canales de iones de sodio se abren al máximo. En el pico del potencial de acción, la permeabilidad al sodio se maximiza y el voltaje de membrana V _m es casi igual al voltaje de equilibrio del sodio E _Na . Sin embargo, el mismo voltaje elevado que abrió inicialmente los canales de sodio también los cierra lentamente, al cerrar sus poros; los canales de sodio se inactivan . ^{[ 40 ]} Esto reduce la permeabilidad de la membrana al sodio en relación con el potasio, lo que hace que el voltaje de membrana vuelva al valor de reposo. Al mismo tiempo, el voltaje elevado abre los canales de potasio sensibles al voltaje; el aumento en la permeabilidad de la membrana al potasio hace que V _m se acerque a E _K . ^{[ 40 ]} En conjunto, estos cambios en la permeabilidad al sodio y al potasio hacen que V _m caiga rápidamente, repolarizando la membrana y produciendo la "fase descendente" del potencial de acción. ^{[ 44 ] [ 47 ] [ 22 ] [ 48 ]}

El voltaje despolarizado abre canales de potasio dependientes de voltaje adicionales, y algunos de estos no se cierran inmediatamente cuando la membrana regresa a su voltaje de reposo normal. Además, se abren más canales de potasio en respuesta a la entrada de iones de calcio durante el potencial de acción. La concentración intracelular de iones de potasio es transitoriamente inusualmente baja, lo que hace que el voltaje de membrana V _m se acerque aún más al voltaje de equilibrio del potasio E _K . El potencial de membrana cae por debajo del potencial de membrana en reposo. Por lo tanto, hay un pico o hiperpolarización , denominado hiperpolarización posterior , que persiste hasta que la permeabilidad de la membrana al potasio regresa a su valor habitual, restaurando el potencial de membrana al estado de reposo. ^{[ 49 ] [ 47 ]}

Cada potencial de acción va seguido de un período refractario , que se puede dividir en un período refractario absoluto , durante el cual es imposible evocar otro potencial de acción, y luego un período refractario relativo , durante el cual se requiere un estímulo más fuerte de lo habitual. ^{[ 44 ] [ 45 ] [ 46 ]} Estos dos períodos refractarios son causados ​​por cambios en el estado de las moléculas de los canales de sodio y potasio. Al cerrarse después de un potencial de acción, los canales de sodio entran en un estado "inactivado" , en el que no pueden abrirse independientemente del potencial de membrana; esto da lugar al período refractario absoluto. Incluso después de que un número suficiente de canales de sodio hayan vuelto a su estado de reposo, sucede frecuentemente que una fracción de los canales de potasio permanece abierta, lo que dificulta la despolarización del potencial de membrana y, por lo tanto, da lugar al período refractario relativo. Debido a que la densidad y los subtipos de canales de potasio pueden diferir mucho entre diferentes tipos de neuronas, la duración del período refractario relativo es muy variable.

El período refractario absoluto es en gran parte responsable de la propagación unidireccional de los potenciales de acción a lo largo de los axones. ^{[ 50 ]} En cualquier momento dado, el segmento de axón detrás de la parte activa es refractario, pero el segmento delante, al no haber sido activado recientemente, es capaz de ser estimulado por la despolarización del potencial de acción.

Para permitir una transducción rápida y eficiente de las señales eléctricas en el sistema nervioso, ciertos axones neuronales están cubiertos por vainas de mielina . La mielina es una membrana multilaminar que envuelve el axón en segmentos separados por intervalos conocidos como nódulos de Ranvier . Es producida por células especializadas: células de Schwann exclusivamente en el sistema nervioso periférico y oligodendrocitos exclusivamente en el sistema nervioso central . La vaina de mielina reduce la capacitancia de la membrana y aumenta la resistencia de la membrana en los intervalos entre nódulos, permitiendo así un movimiento rápido y saltatorio de potenciales de acción de nódulo a nódulo. ^{[ m ] [ n ] [ o ]} La mielinización se encuentra principalmente en vertebrados , pero se ha descubierto un sistema análogo en algunos invertebrados, como algunas especies de camarones . ^{[ p ]} No todas las neuronas en los vertebrados están mielinizadas; por ejemplo, los axones de las neuronas que componen el sistema nervioso autónomo no están, en general, mielinizados.

La mielina impide que los iones entren o salgan del axón a lo largo de los segmentos mielinizados. Por regla general, la mielinización aumenta la velocidad de conducción de los potenciales de acción y los hace más eficientes energéticamente. Ya sean saltatorios o no, la velocidad media de conducción de un potencial de acción oscila entre 1 metro por segundo (m/s) y más de 100 m/s, y, en general, aumenta con el diámetro del axón. ^{[ q ]}  

Los potenciales de acción no pueden propagarse a través de la membrana en los segmentos mielinizados del axón. Sin embargo, la corriente es transportada por el citoplasma, lo cual es suficiente para despolarizar el primer o segundo nodo de Ranvier subsiguiente . En cambio, la corriente iónica de un potencial de acción en un nodo de Ranvier provoca otro potencial de acción en el siguiente nodo; este aparente "salto" del potencial de acción de nodo a nodo se conoce como conducción saltatoria . Aunque el mecanismo de la conducción saltatoria fue sugerido en 1925 por Ralph Lillie, ^{[ r ]} la primera evidencia experimental de la conducción saltatoria provino de Ichiji Tasaki ^{[ s ]} y Taiji Takeuchi ^{[ t ] [ 55 ]} y de Andrew Huxley y Robert Stämpfli. ^{[ u ]} Por el contrario, en los axones no mielinizados, el potencial de acción provoca otro en la membrana inmediatamente adyacente y se mueve continuamente a lo largo del axón como una onda.

La mielina tiene dos ventajas importantes: una rápida velocidad de conducción y una alta eficiencia energética. Para axones con un diámetro mayor a un diámetro mínimo (aproximadamente 1 micrómetro ), la mielinización aumenta la velocidad de conducción de un potencial de acción, típicamente diez veces. ^{[ w ]} Por el contrario, para una velocidad de conducción dada, las fibras mielinizadas son más pequeñas que sus contrapartes no mielinizadas. Por ejemplo, los potenciales de acción se mueven aproximadamente a la misma velocidad (25  m/s) en un axón mielinizado de rana y en un axón gigante no mielinizado de calamar , pero el axón de rana tiene un diámetro aproximadamente 30 veces menor y un área de sección transversal 1000 veces menor. Además, dado que las corrientes iónicas están confinadas a los nódulos de Ranvier, muchos menos iones se "filtran" a través de la membrana, lo que ahorra energía metabólica. Este ahorro es una ventaja selectiva significativa , ya que el sistema nervioso humano utiliza aproximadamente el 20% de la energía metabólica del cuerpo. ^{[ w ]}

La longitud de los segmentos mielinizados de los axones es importante para el éxito de la conducción saltatoria. Deben ser lo más largos posible para maximizar la velocidad de conducción, pero no tanto como para que la señal que llega sea demasiado débil para provocar un potencial de acción en el siguiente nodo de Ranvier. En la naturaleza, los segmentos mielinizados suelen ser lo suficientemente largos como para que la señal propagada pasivamente viaje al menos dos nodos, conservando la amplitud suficiente para generar un potencial de acción en el segundo o tercer nodo. Por lo tanto, el factor de seguridad de la conducción saltatoria es alto, lo que permite que la transmisión evite los nodos en caso de lesión. Sin embargo, los potenciales de acción pueden terminar prematuramente en ciertos puntos donde el factor de seguridad es bajo, incluso en neuronas no mielinizadas; un ejemplo común es el punto de ramificación de un axón, donde se divide en dos. ^{[ 57 ]}

Algunas enfermedades degradan la mielina y alteran la conducción saltatoria, reduciendo la velocidad de conducción de los potenciales de acción. ^{[ x ]} La más conocida de ellas es la esclerosis múltiple , en la que la degradación de la mielina altera el movimiento coordinado. ^{[ 58 ]}

El flujo de corrientes dentro de un axón puede describirse cuantitativamente mediante la teoría de cables ^{[ 59 ]} y sus elaboraciones, como el modelo compartimental. ^{[ 60 ]} La teoría de cables fue desarrollada en 1855 por Lord Kelvin para modelar el cable telegráfico transatlántico ^{[ y ]} y Hodgkin y Rushton demostraron su relevancia para las neuronas en 1946. ^{[ z ]} En la teoría de cables simple, la neurona se trata como un cable de transmisión perfectamente cilíndrico y eléctricamente pasivo, que puede describirse mediante una ecuación diferencial parcial . ^{[ 59 ]}

${\displaystyle \tau {\frac {\partial V}{\partial t}}=\lambda ^{2}{\frac {\partial ^{2}V}{\partial x^{2}}}-V}$

donde V ( x , t ) es el voltaje a través de la membrana en un instante t y una posición x a lo largo de la neurona, y donde λ y τ son las escalas características de longitud y tiempo en las que dichos voltajes decaen en respuesta a un estímulo. Consultando el diagrama del circuito de la derecha, estas escalas pueden determinarse a partir de las resistencias y capacitancias por unidad de longitud. ^{[ 61 ]}

${\displaystyle \tau =\ r_{m}c_{m}\,}$

${\displaystyle \lambda ={\sqrt {\frac {r_{m}}{r_{\ell }}}}}$

Estas escalas de tiempo y longitud pueden usarse para comprender la dependencia de la velocidad de conducción del diámetro de la neurona en fibras amielínicas. Por ejemplo, la escala de tiempo τ aumenta con la resistencia de la membrana r _m y la capacitancia c _m . A medida que aumenta la capacitancia, se debe transferir más carga para producir un voltaje transmembrana dado (por la ecuación Q  = CV  ); a medida que aumenta la resistencia, se transfiere menos carga por unidad de tiempo, lo que hace que el equilibrio sea más lento. De manera similar, si la resistencia interna por unidad de longitud r _i es menor en un axón que en otro (por ejemplo, porque el radio del primero es mayor), la longitud de decaimiento espacial λ se hace más larga y la velocidad de conducción de un potencial de acción debería aumentar. Si la resistencia transmembrana r _m aumenta, eso disminuye la corriente de "fuga" promedio a través de la membrana, lo que también hace que λ se haga más larga, aumentando la velocidad de conducción.

En general, los potenciales de acción que llegan a los botones sinápticos provocan la liberación de un neurotransmisor en la hendidura sináptica. ^{[ aa ]} Los neurotransmisores son moléculas pequeñas que pueden abrir canales iónicos en la célula postsináptica; la mayoría de los axones tienen el mismo neurotransmisor en todos sus extremos. La llegada del potencial de acción abre canales de calcio sensibles al voltaje en la membrana presináptica; la entrada de calcio provoca que las vesículas llenas de neurotransmisor migren a la superficie celular y liberen su contenido en la hendidura sináptica . ^{[ ab ]} Este complejo proceso es inhibido por las neurotoxinas tetanospasmina y toxina botulínica , responsables del tétanos y el botulismo , respectivamente. ^{[ ac ]}

Algunas sinapsis prescinden del intermediario del neurotransmisor y conectan las células presinápticas y postsinápticas. ^{[ ad ]} Cuando un potencial de acción llega a una de estas sinapsis, las corrientes iónicas que fluyen hacia la célula presináptica pueden cruzar la barrera de las dos membranas celulares y entrar en la célula postsináptica a través de poros conocidos como conexones . ^{[ ae ]} De este modo, las corrientes iónicas del potencial de acción presináptico pueden estimular directamente la célula postsináptica. Las sinapsis eléctricas permiten una transmisión más rápida porque no requieren la lenta difusión de los neurotransmisores a través de la hendidura sináptica. Por lo tanto, las sinapsis eléctricas se utilizan siempre que la respuesta rápida y la coordinación temporal son cruciales, como en los reflejos de escape , la retina de los vertebrados y el corazón .

Un caso especial de sinapsis química es la unión neuromuscular , en la que el axón de una neurona motora termina en una fibra muscular . ^{[ af ]} En estos casos, el neurotransmisor liberado es la acetilcolina , que se une al receptor de acetilcolina, una proteína de membrana integral en la membrana (el sarcolema ) de la fibra muscular. ^{[ ag ]} Sin embargo, la acetilcolina no permanece unida; en cambio, se disocia y es hidrolizada por la enzima acetilcolinesterasa , ubicada en la sinapsis. Esta enzima reduce rápidamente el estímulo al músculo, lo que permite regular con precisión el grado y el momento de la contracción muscular. Algunos venenos inactivan la acetilcolinesterasa para impedir este control, como los agentes nerviosos sarín y tabún , ^{[ ah ]} y los insecticidas diazinón y malatión . ^{[ ai ]}

El potencial de acción cardíaco se diferencia del potencial de acción neuronal por tener una meseta prolongada, en la que la membrana se mantiene a un voltaje alto durante unos cientos de milisegundos antes de ser repolarizada por la corriente de potasio como de costumbre. ^{[ aj ]} Esta meseta se debe a la acción de los canales de calcio, que se abren más lentamente y mantienen el voltaje de la membrana cerca de su potencial de equilibrio incluso después de que los canales de sodio se hayan inactivado.

El potencial de acción cardíaco desempeña un papel importante en la coordinación de la contracción del corazón. ^{[ aj ]} Las células cardíacas del nódulo sinoauricular proporcionan el potencial marcapasos que sincroniza el corazón. Los potenciales de acción de estas células se propagan hacia y a través del nódulo auriculoventricular (nódulo AV), que normalmente es la única vía de conducción entre las aurículas y los ventrículos . Los potenciales de acción del nódulo AV viajan a través del haz de His y de allí a las fibras de Purkinje . ^{[ nota 2 ]} Por el contrario, las anomalías en el potencial de acción cardíaco, ya sea debido a una mutación congénita o a una lesión, pueden provocar patologías humanas, especialmente arritmias . ^{[ aj ]} Varios fármacos antiarrítmicos actúan sobre el potencial de acción cardíaco, como la quinidina , la lidocaína , los betabloqueantes y el verapamilo . ^{[ ak ]}

El potencial de acción en una célula muscular esquelética normal es similar al potencial de acción en las neuronas. ^{[ 62 ]} Los potenciales de acción resultan de la despolarización de la membrana celular (el sarcolema ), que abre los canales de sodio sensibles al voltaje; estos se inactivan y la membrana se repolariza a través de la corriente saliente de iones de potasio. El potencial de reposo previo al potencial de acción es típicamente de −90 mV, algo más negativo que el de las neuronas típicas. El potencial de acción muscular dura aproximadamente de 2 a 4  ms, el período refractario absoluto es de aproximadamente 1 a 3  ms, y la velocidad de conducción a lo largo del músculo es de aproximadamente 5  m/s. El potencial de acción libera iones de calcio que liberan la tropomiosina y permiten que el músculo se contraiga. Los potenciales de acción musculares son provocados por la llegada de un potencial de acción neuronal presináptico a la unión neuromuscular , que es un objetivo común de las neurotoxinas . ^{[ ah ]}

Las células vegetales y fúngicas ^{[ al ]} también son eléctricamente excitables. La diferencia fundamental con los potenciales de acción animales es que la despolarización en las células vegetales no se logra mediante la absorción de iones de sodio positivos, sino mediante la liberación de iones de cloruro negativos . ^{[ am ] [ an ] [ ao ]} En 1906, JC Bose publicó las primeras mediciones de potenciales de acción en plantas, que habían sido descubiertos previamente por Burdon-Sanderson y Darwin. ^{[ 63 ]} Un aumento en los iones de calcio citoplasmáticos puede ser la causa de la liberación de aniones en la célula. Esto hace que el calcio sea un precursor de los movimientos iónicos, como la entrada de iones de cloruro negativos y la salida de iones de potasio positivos, como se observa en las hojas de cebada. ^{[ 64 ]}

La entrada inicial de iones de calcio también provoca una pequeña despolarización celular, lo que hace que se abran los canales iónicos dependientes del voltaje y permite que la despolarización completa se propague por los iones de cloruro.

Algunas plantas (por ejemplo , Dionaea muscipula ) utilizan canales iónicos activados por sodio para controlar sus movimientos y "contar" los eventos de estimulación para determinar si se alcanza un umbral de movimiento. Dionaea muscipula , también conocida como venus atrapamoscas, se encuentra en humedales subtropicales de Carolina del Norte y del Sur. ^{[ 65 ]} Cuando el suelo es pobre en nutrientes, la venus atrapamoscas se alimenta de insectos y animales. ^{[ 66 ]} A pesar de las investigaciones sobre esta planta, aún no se comprende la base molecular de las venus atrapamoscas ni de las plantas carnívoras en general. ^{[ 67 ]}

Sin embargo, se han realizado numerosas investigaciones sobre los potenciales de acción y cómo afectan al movimiento y al mecanismo interno de la Venus atrapamoscas. Para empezar, el potencial de membrana en reposo de la Venus atrapamoscas (−120  mV) es menor que el de las células animales (generalmente de −90  mV a −40  mV). ^{[ 67 ] [ 68 ]} El menor potencial en reposo facilita la activación de un potencial de acción. Así, cuando un insecto se posa en la trampa de la planta, activa un mecanorreceptor con forma de pelo. ^{[ 67 ]} Este receptor activa entonces un potencial de acción que dura alrededor de 1,5  ms. ^{[ 69 ]} Esto provoca un aumento de iones de calcio positivos en la célula, despolarizándola ligeramente. Sin embargo, la atrapamoscas no se cierra tras una sola activación. En cambio, requiere la activación de dos o más pelos. ^{[ 66 ] [ 67 ]} Si solo se activa un pelo, descarta la activación como un falso positivo. Además, el segundo pelo debe activarse dentro de un intervalo de tiempo determinado (0,75–40  s) para que se registre con la primera activación. ^{[ 67 ]} Por lo tanto, comienza una acumulación de calcio que luego disminuye lentamente después del primer estímulo. Cuando se dispara el segundo potencial de acción dentro del intervalo de tiempo, alcanza el umbral de calcio para despolarizar la célula, cerrando la trampa sobre la presa en una fracción de segundo. ^{[ 67 ]}

Junto con la liberación subsiguiente de iones de potasio positivos, el potencial de acción en las plantas implica una pérdida osmótica de sal (KCl). En cambio, el potencial de acción animal es osmóticamente neutro porque cantidades iguales de sodio que entra y potasio que sale se cancelan mutuamente osmóticamente. La interacción de las relaciones eléctricas y osmóticas en las células vegetales ^{[ ap ]} parece haber surgido de una función osmótica de excitabilidad eléctrica en un ancestro unicelular común de plantas y animales bajo condiciones de salinidad cambiantes. Además, la función actual de transmisión rápida de señales se considera un logro más reciente de las células metazoarias en un entorno osmótico más estable. ^{[ 70 ]} Es probable que la función de señalización familiar de los potenciales de acción en algunas plantas vasculares (por ejemplo, Mimosa pudica ) haya surgido independientemente de la de las células excitables metazoarias.

A diferencia de la fase ascendente y el pico, la fase descendente y la hiperpolarización posterior parecen depender principalmente de cationes distintos del calcio. Para iniciar la repolarización, la célula requiere el movimiento de potasio hacia fuera de la célula mediante transporte pasivo en la membrana. Esto difiere de las neuronas porque el movimiento de potasio no domina la disminución del potencial de membrana. Para repolarizarse completamente, una célula vegetal requiere energía en forma de ATP para ayudar en la liberación de hidrógeno de la célula, utilizando un transportador llamado ATPasa de protones . ^{[ 71 ] [ 67 ]}