3ro. Biología -SISTEMA NERVIOSO - MÁS MATERIAL

EL SISTEMA NERVIOSO

           

            La variedad de comportamientos en los seres vivos es casi infinita, desde el caminar de la oruga,  el apareamiento de la abeja reina, o la caza del león. Y en ninguna especie la conducta es tan variada como en la especie humana. Todo estos comportamientos, desde un parpadeo, hasta escribir un libro de filosofía, son fruto del sistema nervioso.

            El sistema nervioso recoge información sobre el mundo exterior, y también sobre el estado del propio organismo, analiza y compara esta información, decide cuál es la respuesta adecuada en cada momento y la ejecuta, almacena la información para uso futuro, y planea la estrategia a largo plazo. El sistema nervioso está formado por células, como todo el resto del organismo. Sin embargo, existe una diferencia: en otros órganos cada célula realiza, en pequeño, la función del órgano, y la suma de las actividades de todas las células produce la actividad total del órgano. Por ejemplo cada célula muscular es capaz de contraerse, y la suma de todas las contracciones de todas las células es la que produce la contracción del músculo. En cambio, una célula nerviosa por sí sola no produce pensamiento o conducta, únicamente recibe y transmite señales eléctricas, y solo por la interconexión y coordinación de todas las neuronas se produce la actividad del sistema nervioso. Se dice por eso que la función del sistema nervioso es una propiedad emergente, es decir un fenómeno que no se podría predecir examinando el funcionamiento de cada uno de sus componentes por separado.

            La función del sistema nervioso se puede reducir en esencia a la transmisión de señales, mediante la cual un estímulo produce una respuesta. Por ejemplo, cuando vemos un pastel apetitoso (el estímulo), los ojos envían señales al cerebro, y este envía señales a los músculos de las manos para cogerlo y llevárselo a la boca (la respuesta). En último extremo, todo el comportamiento humano podría reducirse a cadenas, más o menos complicadas de estímulos y respuestas.

            Las células que forman el sistema nervioso, o neuronas, son células especializadas en recibir y enviar señales, y tienen múltiples prolongaciones por las que entran y salen estas señales. Algunas de estas prolongaciones pueden ser muy largas, por ejemplo, la neurona que envía las órdenes a los músculos del pie están en la parte baja de la columna vertebral, así que la prolongación que transmite esas órdenes mide aproximadamente un metro, que es la distancia entre la columna vertebral y el pie (en una ballena las fibras que llevan las órdenes a los músculos de la cola deben ser casi tan largas como la misma ballena, es decir, más de 20 metros).

            Una neurona, por tanto, está continuamente recibiendo y enviando señales, como una central telefónica. Esas señales de la neurona se denominan potenciales de acción, y como en el caso de la central telefónica, son de naturaleza eléctrica. Sin embargo, las fibras o prolongaciones de las neuronas no están hechas de cobre conductor, como los cables telefónicos, sino del material de la propia célula. Este material no conduce la electricidad tan bien como un cable, de modo que la neurona ha tenido que encontrar una manera propia de propagar las señales sin que pierdan potencia.

Todas las células tienen carga eléctrica negativa en su interior

            Todas las células tienen una carga eléctrica negativa en su interior. Esta carga eléctrica se debe a la diferencia de concentración de sales entre el interior de la célula y el exterior de la misma, y el proceso es lejanamente parecido al que se produce en una pila, como las que  ponemos en la radio. En la pila, hay en su interior una solución de sales, estas sales reaccionan con el metal de la cubierta, y esto produce el movimiento de cargas eléctricas que alimenta a la radio cuando la encendemos. En el caso de la célula, el potasio que hay en su interior tiende a salir de la célula (porque está más concentrado dentro que fuera, y tiende a moverse a donde la concentración es menor), pero como el potasio tiene carga eléctrica positiva esto deja el interior de la célula con un exceso de cargas negativas. Este movimiento de cargas produce un voltaje o diferencia de potencial, igual que el que se produce entre los polos de una pila pero unas 20 veces menor.

           

El potencial de acción es una inversión de la carga eléctrica de la membrana

Esta carga eléctrica existe en todas las células, pero además, algunas células han desarrollado la capacidad de usar la carga eléctrica para transmitir señales. Esas células se denominan excitables, son las únicas que pueden producir potenciales de acción, e incluyen fundamentalmente a las células nerviosas y a las musculares.  El potencial de acción es como un cortocircuito de la membrana. Si en una pila conectamos el polo positivo con el negativo, la pila se descarga y desaparece la diferencia de potencial entre los polos. En la membrana de las células excitables sucede algo parecido, durante el potencial de acción se abren canales en la membrana que permiten el paso de corriente, de manera que entran cargas positivas, y neutralizan la carga negativa en el interior, con lo que la diferencia de potencial que había en reposo desaparece. Esas cargas se propagan al siguiente segmento de la membrana, y de este al siguiente, por lo que el cortocircuito, es decir, el potencial de acción, se propaga con mucha rapidez a lo largo de la fibra nerviosa. En un tiempo muy corto (una milésima de segundo) los canales se cierran, la carga negativa reaparece, y la fibra queda en situación de enviar otra señal.

Grandes momentos de la Fisiología

GALVANI Y VOLTA    Luigi Galvani Los primeros estudios sobre el papel de la electricidad en la conducción nerviosa los realizó en 1791 Luigi Galvani, profesor de Anatomía en la Universidad de Bolonia, Italia. Galvani encontró que cuando ponía en contacto el músculo de la pata de una rana con el nervio correspondiente, el músculo se contraía, por lo que supuso que en la preparación se producía electricidad, que era conducida por el nervio y que hacía contraerse al músculo, y a la que llamó “electricidad animal”. En 1792 el físico de Pavía Alessandro Volta criticó la interpretación de Galvani. Según Volta, los nervios y los músculos podían responder a la electricidad, pero no la producían por sí mismos, y en los experimentos de Galvani la electricidad no se había producido en el nervio o en el músculo, sino en los metales que había utilizado para ponerlos en contacto (Volta había demostrado que se generaba electricidad cuando se ponían en contacto dos metales de distinta clase, y ese es el principio de la llamada pila de Volta). Posteriormente, Galvani confirmó su teoría porque repitió los experimentos sin utilizar metales y obtuvo los mismos resultados. Hoy sabemos que efectivamente los nervios producen corrientes eléctricas, que es lo que denominamos potencial de acción. Sin embargo, en su época casi todo el mundo siguió la interpretación de Volta, y a Galvani no se le hizo caso hasta mucho después de su muerte. Volta intervenía en la política y era un personaje importante, mientras que a Galvani no le conocía casi nadie. Aunque se supone que los científicos deben ser objetivos al enjuiciar los méritos de una teoría, a veces no sucede así, como en este caso. Alessandro Volta

Grandes momentos de la Fisiología

EL AXÓN GIGANTE DEL CALAMAR A veces, los investigadores encuentran en alguna particularidad o rareza de alguna especie una oportunidad para estudiar algún problema, que de otra manera sería imposible de abordar. Las fibras nerviosas, en humanos y en general en todos los mamíferos, pueden ser muy largas pero también son muy finas, teniendo menos de una milésima de milímetro de diámetro. Esto representa una dificultad enorme para su estudio. Sin embargo, a principios de la década de los 50, Alan Lloyd Hodking y Andrew Fielding Huxley se dieron cuenta que en el calamar algunos fibras nerviosas (axones) eran mucho mayores y tenían hasta un milímetro de diámetro, el tamaño de un spaguetti. En este axón se podía por ejemplo insertar electrodos para registrar los cambios de potencial eléctrico, y hasta incluso vaciarlo de su contenido y rellenarlo con líquidos de distinta composición. Gracias a estos estudios en el axón gigante del calamar, pudieron desentrañar los mecanismos de propagación del potencial de acción, y más tarde se comprobó que también eran aplicables al sistema nervioso de los humanos.

La velocidad de conducción depende del tipo de fibra nerviosa

Los nervios están formados por haces de fibras nerviosas, que transmiten potenciales de acción hacia el sistema nervioso, o desde el sistema nervioso hacia los músculos. Sin embargo, no todos las fibras nerviosas son iguales. Algunas son de mayor diámetro, y estas en general transmiten el potencial más rápidamente. El potencial de acción, en las fibras más gruesas se transmite a la velocidad de 120 metros por segundo, la velocidad de coche de fórmula 1. En las fibras más finas, en cambio, la velocidad de transmisión es de medio metro por segundo, la de un hombre caminando. Las fibras más gruesas se utilizan para transmitir señales urgentes, a las que hay que responder rápidamente (por ejemplo, que un objeto nos ha tocado) mientras que las finas se utilizan para señales menos urgentes, como por ejemplo cuál es la temperatura del objeto que hemos tocado.

¿Sabía que...?

CUANDO SE DUERME UN PIE  Todos hemos tenido la experiencia de que se “duerma” un pie. Este fenómeno se debe a la interrupción de las señales nerviosas. La causa suele ser la compresión de un nervio, por una mala postura, por ejemplo. La compresión de las fibras nerviosas que forman el nervio interrumpe en ese punto los potenciales de acción, de manera que las señales nerviosas que proceden de la extremidad no llegan al cerebro. Para ser consciente de un estímulo sensorial es preciso que los potenciales de acción lleguen al cerebro, de manera que el miembro afectado queda insensible. Sin embargo, es frecuente que cuando se está recuperando (la interrupción de la transmisión suele ser transitoria, y el nervio habitualmente se recupera en pocos minutos) durante un tiempo se sienta dolor, pero no tacto. Esto se debe a que las fibras de mayor diámetro tardan más en recuperarse de la compresión, y estas fibras son las que transmiten la sensación de tacto. En cambio, las fibras nerviosas que transmiten la sensación de dolor o de temperatura son más finas y se recuperan antes.

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Los canales dependientes de voltaje se abren cuando disminuye la carga eléctrica negativa de la membrana

La membrana celular, en general no deja pasar a los iones como el sodio, el potasio o calcio. Sin embargo, en la membrana existen canales, que son proteínas insertadas en la membrana y que tienen en su interior un poro que la atraviesa, de manera que por ese poro los iones pueden entrar o salir de la célula. En todas las células hay canales, pero en las células excitables hay un tipo especial de canales, que son los llamados dependientes de voltaje. Estos canales tienen la particularidad de que se abren cuando del interior de la membrana, que normalmente tiene carga eléctrica negativa, se vuelve eléctricamente neutro o positivo.

            Una parte de la proteína que forma estos canales dependientes de voltaje, tiene carga positiva. Como en reposo el interior de la membrana tiene carga negativa, eso atrae a esa región hacia adentro y la desplaza de manera que cierra el poro, e impide el paso de iones. Cuando la carga eléctrica de la membrana desaparece o se hace positiva, esta región se desplaza abriendo el canal. La mayoría de los canales dependientes de voltaje sólo están abiertos un tiempo muy corto, porque rápidamente otra parte del canal se desplaza cerrándolo, y esto sirve para evitar que el canal esté abierto demasiado tiempo

Hay distintos tipos de canales dependientes de voltaje: unos dejan pasar iones de sodio, otros calcio, o potasio, pero todos son básicamente parecidos y se abren y cierran por el mismo mecanismo. Cuando la membrana de las neuronas, por cualquier motivo, se hace un  poco menos negativa, se abren algunos canales dependientes de voltaje que son permeables al sodio. Por estos canales entra sodio, y como el sodio tiene cargas positivas, neutraliza las negativas que hay en el interior de la membrana. Pero esto hace que se abran más canales, con lo que entra más sodio y la membrana se hace aun menos negativa. Esto produce una reacción en cadena que hace que rápidamente todos los canales se abran, y que la carga positiva se propague rápidamente por toda la membrana de la neurona. En un tiempo muy corto los canales de sodio se cierran, y se abren otros que dejan pasar el potasio. El potasio sale de la célula, con lo que el interior de la membrana vuelve a ser negativo, y la neurona queda en situación de transmitir otro potencial de acción.

¿Sabía que...?

EL FUGU La tetrodotoxina es un veneno producido por el pez globo, como un medio de defensa, y es uno de los tóxicos más potentes que se conocen. La tetrodotoxina bloquea el canal de sodio dependiente de voltaje, de manera que impide la producción de potenciales de acción y paraliza la función de todo el sistema nervioso, produciendo la muerte rápidamente. El pez globo es la base de un plato de la cocina japonesa llamado “Fugu”, y que se considera una exquisitez. Antes de servir el pez es preciso, por tanto, eliminar los órganos donde está el veneno, que son las gónadas y el hígado. Pero si esto no se hace con el cuidado más extremo, si queda una pequeña parte de estos órganos, puede producirse una intoxicación mortal. A pesar de que en el Japón solo están autorizados a preparar el Fugu unos cocineros especialmente adiestrados, cada año se producen varias docenas de casos de intoxicación por tetrodotoxina, aproximadamente la mitad de los cuales son mortales. Parece que incluso cuando el fugu está correctamente preparado, quedan trazas de tetrodotoxina, que paralizan la transmisión nerviosa en los nervios sensitivos de los labios y paladar, y producen una sensación de adormecimiento en esa región, y esta extraña sensación forma parte del “sabor” exquisito del plato.