EL POTENCIAL DE MEMBRANA

La función del sistema nervioso consiste en la transmisión y procesamiento de información en forma de impulsos nerviosos. Estos impulsos nerviosos consisten en variaciones en la polaridad de las membranas de las neuronas. Esta variación es debida a que se alcanza una situación alejada del equilibrio que en determinados momentos tiende a recuperar. Esta situación es la que conocemos como polarización de la membrana. La polarización es una diferencia de concentración de sustancias a ambos lados de la membrana. Como es una variación en la concentración de iones también lleva asociada una variación de polaridad. Los iones implicados son Na y K, ambos electropositivos. La diferencia de polaridad se debe a que poseen potenciales electroquímicos diferentes. Esta diferencia es un proceso que supone un transporte activo de ambos iones. El Na hacia el exterior celular y el potasio hacia el interior. Un impulso nervioso sería la variación local de este potencial al permitirse la difusión de ambos iones para alcanzar el equilibrio de concentraciones. El Na tendería a entrar, ya que hay menor concentración en el interior celular y el K a salir.

En esta imagen se aprecia que el transporte de Na y K realizado por la bomba de Na/K exige un gasto energético con gasto de ATP, por lo tanto es activo. El impulso nervioso se produce cuando se abren unos ionóforos que permiten el paso a favor de gradiente de concentración del Na y K en sentido inverso al realizado por la bomba.

 El potencial que se establece por la acción de la bomba es el denominado potencial de equilibrio y tiene un valor de 40 mV. Cuando se despolariza la membrana en el impulso nervioso se produce una variación de potencial, el potencial de acción, que alcanza un valor de - 70 mV y que rápidamente se revierte a la situación inicial.

ORGANIZANDO EL SISTEMA NERVIOSO I

El sistema nervioso humano presenta una gran complejidad. De hecho se considera el cerebro humano como el órgano cuyo funcionamiento resulta más difícil de comprender, En los últimos años se están realizando grandes avances en el conocimiento de cómo funciona, debido en gran parte a la utilización de nuevas técnicas que permiten tener imágenes de aspectos dinámicos del cerebro. Debido a su gran complejidad hay tendencia a pensar que se halla formado por estructuras complejas. Y así es. Pero en la naturaleza tenemos ejemplos de que a partir de componentes simples pueden formarse estructuras complejas. Un ejemplo es la información genética.
Cuando a finales del siglo XIX se buscaba la base material que soportara la información genética, y sabiendo que se hallaba en el núcleo, quedó por elegir entre proteínas o ADN. Las proteínas presentaban 20 aminoácidos diferentes y el ADN tan solo 4 tipos de nucleótidos distintos. Considerando la diversidad de la información genética se optó por las proteínas. Sin embargo resultó ser el ADN, que a pesar de su sencillez a nivel composicional, se fue descubriendo que permitía almacenar información diversa porque a partir de pocos elementos, su combinación adecuada permitía obtener la variedad necesaria.

Con el sistema nervioso podemos estar ante un panorama similar. Cuáles serían los elementos:
Los distintos tipos celulares, su disposición espacial, su diferente dinámica, los distintos neurotransmisores utilizados. Si estos elementos se combinan adecuadamente la diversidad que conseguimos podría llegar a explicar la complejidad del cerebro, por ejemplo.

CONTRUYENDO REDES: MICROTÚBULOS, NEURONAS.

Una de las definiciones de red está relacionado con el concepto de malla y una malla es una estructura delgada y flexible formada por el entrecruzamiento de filamentos u otras cosas largas y delgadas. En los seres vivos encontramos redes en distintos niveles de organización. Dos ejemplos son: la red microtubular que forma parte del citoesqueletos y las redes neuronales que encontramos en los centros nerviosos. Lo que tienen en común estas redes son su definición, aunque los componentes son distintos y su función también.

Las investigaciones realizadas en biología están mostrando que muchos procesos biológicos siguen patrones similares en distintos niveles de organización. La interacción entre distintos componentes para constituir una estructura más compleja, puede seguir un mismo comportamiento,  independientemente de que estos componentes sean moléculas, células, organismos. Dos de estos procesos que deseo comparar son la formación de una red microtubular en las células animales eucariotas y la formación de redes neuronales en el cerebro.

Las redes microtubulares se hallan formadas por varios elementos.

1. Los microtúbulos que están constituidos por tubulina polemerizada.
2. Un organizador microtubular que establece unas condiciones para que comience la polimerización microtubular a partir de él, estableciendo el punto de origen del que parten los microtúbulos y constituyendo el inicio de la red. En los microtúbulos existe por lo tanto una polarización que permite el  crecimiento de estos en una sola dirección, desde los organizadores microtubulares hacia el exterior.
3. Unas proteínas receptoras en la membrana citoplamática que permiten unir a los microtúbulos que se forman a partir del organizador microtubular permitiendo el establecimiento de la red microtubular. Como estas proteínas están en contacto con el medio y pueden variar su ubicación  van a permitir cambios en la red microtubular. El resultado es que la estructura de la red puede variar dependiendo de las necesidades externas de la célula.
4. Unas proteínas (MAPs) que permiten estabilizar los microtúbulos formados y unidos a las proteínas de membrana.
5. Un mecanismo de separación de las MAPs y de desestabilización de los microtúbulos que permite reorganizar la red a medida que varían las condiciones externas. 
6. Un procedimiento de activación del mecanismo de separación de las MAPs o de estabilización de las MAPs, desencadenado por los cambios del medio, permitiendo que la nueva disposición de la red varíe se mantenga en el tiempo.

Esto si lo trasladásemos a la red neuronal tendríamos que considerar las siguientes características.

1. Las redes neuronales se hallan constituidas por neuronas que establecen sinapsis entre ellas.
2. Unos centros de crecimiento neuronal que permite el desarrollo de una red neuronal por multiplicación celular y alargamiento de dendritas y axones, estableciendo vías de  conexiones lineales o entrecruzadas que terminarían en los órganos receptores  o en los órganos efectores. La polarización de esta red se produciría posteriormente y no sería intrínseca a la red, como en los microtúbulos. La polarización de las redes neuronales se refleja a nivel funcional en el sentido de transporte de la información. Receptores > Centros nerviosos > Efectores. La polarización puede desencadenarse por el contacto con los receptores o con los efectores y debe de haber un mecaniso que permita dicha  polarización.
3. Unos componentes receptores, situados en los órganos receptores y en los efectores, que permitirían anclar los extremos de las prolongaciones neuronales en crecimiento y que desencadenarían la polarización neuronal. A su vez en el interior de los centros nerviosos se establecerían una serie de redes, comunicando finalmente neuronas sensoriales y motoras y que permitirían además procesar la información recibida y generar respuestas. La polarización se produciría al contactar con las primeras neuronas polarizadas, bien sensitivas o motoras. 
4. Unos componentes que estabilizaran las vías neuronales.
5. Un mecanismo que permitiría desestabilizar las redes según los cambios ambientales y que en función de esas variaciones crear nuevas disposiciones y la posibilidad de estabilizarlas. Se podrían distinguir dos tipos de redes: Unas redes básicas muy estables que son las que permitirían las conexiones básicas como las que constituyen los nervios motores, los nervios sensitivos y las vías vegetativas. Otras redes con una mayor dinámica y por lo tanto menor estabilidad pero que permitiría una mejor adaptación a los cambios procedentes del medio dando respuestas diversas ante esas variaciones. La dinámica hace referencia a la capacidad de desarrollo de dendrítas y axones y establecimiento de nuevas uniones con diferentes neuronas, ocasionando nuevos circuitos de transporte de la información.
6. Un mecanismo que traduzca los cambios ambientales en un ambiente que facilite los mecanismos de desestabilización y su posterior mantenimiento o bien su estabilización. Estos cambios podrían ser de tipo hormonal.

FUNCIONAMIENTO DEL SISTEMA NERVIOSO I

La función del sistema nervioso es la de permitir la adaptación del organismo donde se halla a los cambios más inmediatos que se producen en su entorno. El sistema nervioso trabaja con información. 

La información la obtiene a través de una serie de receptores. La información que consiguen son variaciones de energía (radiante, mecánica, térmica, química) que transforman en impulsos nerviosos.

Una vez conseguida la información, el sistema nervioso la procesa y elabora una respuesta que transmite a los órganos efectores: músculos o glándulas. Finalmente se ocasiona una contracción muscular que ocasiona un movimiento o una secreción de sustancias.

El inicio de este proceso está en los receptores y el final en los efectores. El sistema nervioso comunica ambos y permite relacionarlos de modo que la respuesta sea lo más adecuada a la información que se recibe por los receptores.

Si hubiera que diseñar un circuito sencillo, como el del dibujo, con tres neuronas, en un organismo aún más elemental podríamos realizarlo considerando lo siguiente.

1. La existencia de un receptor y de un efector.
2. La existencia de unas neuronas que pudieran comunicar ambos.
3. Que la información fuera del receptor hacia el efector.
4. Que con el tiempo la comunicación fuera lo más efectiva posible.
5. Que cuando llegase a ser efectiva la comunicación se mantuviera en el tiempo. 

 1 y 2. Durante el desarrollo embrionario las células se van diferenciando y dan lugar a distintos tipos celulares. La formación de efectores y receptores la podemos considerar que está determinada genéticamente. Asímismo consideramos que la diferenciación de células embrionarias a neuronas se halla también condicionada genéticamente. Estas neuronas tendrían la capacidad de producir prolongaciones citoplasmáticas al azar que se podrían mantener temporalmente cuando interaccionaran con otras neuronas. De este modo podría realizarse una conexión, a través de diversas neuronas, entre un receptor y un efector.

3. Una vez establecidas las conexiones, la polaridad vendría establecida por la neurona que contactase con el receptor y pudiera ser también con el efector. Estos contactos determinarían el sentido de que debería de recorrer la información. Si primero se establece en la neurona que se une al receptor, la polaridad en las neuronas con las que contacta vendría condicionada por esta unión, como si fuera un efecto dominó.

4. De las múltiples conexiones que pudieran formarse entre el receptor y el efector, aquella que fuera más afectiva se iría estabilizando en el tiempo frente a las que lo fueran menos. Un criterio para la estabilización sería la rapidez de la respuesta, la efectividad del movimiento, etc.

5. La permanencia en el tiempo de esta conexión iría aumentando su estabilidad hasta que pudiera fijarse permanentemente. La rapidez en la estabilización de las conexiones iría en detrimento de la mejora en la respuesta. Si no se produjera una fijación inmediata se podría producir un aprendizaje, mejor adaptación a los cambios del medio. Si fuera inmediata la respuesta siempre sería la misma.
6. En determinadas circunstancias podrían crearse condiciones de inestabilidad que permitirían rediseñar la red en función de la creación de nuevas conexiones, más efectivas, y debilitamiento de las anteriores. Unas condiciones de este tipo podrían ser las situaciones de stress.