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Sinapsis nerviosas

Este artículo es la segunda parte del tema Fisiología del tejido nervioso.

El funcionamiento del sistema nervioso depende de la comunicación entre las neuronas, las que utilizando flujos de información entre cadenas de ellas pueden recibir, intercambiar, procesar y reenviar señales que definen las acciones adecuadas para el sostén de la vida y las actividades corporales. Las neuronas se conectan funcionalmente en las sinapsis, que son las únicas uniones que median en la información que se transfiere entre una neurona y la próxima, o entre una neurona y una célula efectora (que ejecuta una acción).

La mayor parte de las sinapsis se producen entre los extremos axonales de una neurona y las dendritas o el soma (el cuerpo) de otra, y se les llama sinapsis axodendrítica o sinapsis axosomática respectivamente. El resto de las sinapsis (la minoría) se pueden producir entre axones (axoaxónicas); entre dendritas (dendrodendríticas); o entre dendritas y soma (dendrosomáticas) pero este tipo de sinapsis, además de ser infrecuentes se sabe mucho menos de ellas.

Para una sinapsis en particular, la neurona que "trae" la información a la unión es presináptica y la que la recibe y continúa la señal es postsináptica. No hay distinción entre neuronas pre y post sinápticas, todas la neuronas del cuerpo usualmente pueden tener entre 1000 y 10 000 terminales axonales haciendo sinapsis y pueden estar siendo estimuladas por un número igual de otras neuronas. En la periferia del cuerpo la célula postsináptica puede ser lo mismo otra neurona como otro tipo de célula efectora, por ejemplo, una célula muscular o glandular (figura 1).

figura 1
Figura 1. Terminales axonales haciendo sinapsis con una fibra muscular.


Se producen dos tipos de sinapsis:

1.- Eléctricas.

2.- Químicas.

Sinapsis eléctricas



Son las sinapsis menos comunes, y corresponden a las llamadas uniones de brecha o nexus que existen en otras células del cuerpo. En estas uniones nexus existen en las membranas ciertas proteínas que pueden conectar los citoplasmas de neuronas adyacentes permitiendo que los iones que transportan la corriente fluyan directamente de una neurona a la otra, sin que haya intercambio de citoplasma. Las neuronas conectadas por esta vía se dice que están acopladas eléctricamente. La transmisión de información por esas sinapsis es muy rápida y la comunicación puede ser unidireccional o bidireccional. La característica principal de estas uniones es que son una vía para sincronizar la actividad de múltiples neuronas interconectadas. Las sinapsis eléctricas aparecen en los sistemas de neuronas que requieren las respuestas más rápidas, o muy sincronizadas, como por ejemplo, en los reflejos defensivos, o en el movimiento sincronizado de ambos ojos.

Sinapsis química

A diferencia con las sinapsis eléctricas, las sinapsis químicas no permiten el paso directo de iones entre ambas neuronas, en su lugar, las neuronas involucradas están especializadas en la liberación y recepción de sustancias químicas denominadas neurotransmisores. Los neurotransmisores actúan abriendo o cerrando los canales de tránsito de iones por lo que modifican la permeabilidad de la membrana produciendo el consecuente cambio en su potencial. Típicamente la sinapsis química se produce entre dos partes:

1.- Una terminal axonal en forma de botón en la célula presináptica (transmisora) que contiene una cierta cantidad de sacos membranosos diminutos llamados vesículas sinápticas. Las vesículas sinápticas portan miles de moléculas neurotransmisoras.

2.- Una región receptora en la membrana de las dendritas o del cuerpo de la célula postsináptica que porta receptores de los neurotransmisores, a menudo de diferentes tipos.

Cada neurona, la presináptica y la postsináptica, está cerrada por su membrana, que en principio impide la comunicación eléctrica directa entre sus citoplasmas, existe además un espacio de unos 30 a 50 nm (nanómetros) lleno de líquido entre una neurona y las adyacentes, denominado hendidura sináptica en la cual la corriente procedente de la membrana presináptica se disipa impidiendo que los impulsos que corren por una fibra nerviosa se transmitan por la vía directa de una neurona a la otra. En su lugar, se utiliza un procedimiento químico en el cual una neurona libera el neurotransmisor al espacio intercelular, este difunde en el fluido y se "amarra" por un tiempo breve al receptor de la otra neurona resultando en la transmisión de un pulso "informativo" unidireccional. La transmisión es en efecto equivalente a un pulso, debido a que la influencia del neurotransmisor resulta rápidamente eliminada por alguno de los mecanismos siguientes:

1.- Es destruido por la acción de una enzima.

2.- Es reabsorbido por la neurona presináptica.

3.- Se difunde lejos en el fluido intercelular poniendo fin a su influencia.

Este método de sinapsis implica que mientras la transmisión de impulsos nerviosos por un axón, y al cruzar una sinapsis eléctrica, son eventos puramente eléctricos, en la sinapsis química la señal eléctrica presináptica se transforma en un evento químico que luego se vuelve atrás como impulso eléctrico en la neurona receptora vecina. Es fácil darse cuenta que la comunicación que se realiza en la sinapsis química es más demorada que la que se hace en la sinapsis eléctrica, debido a que se debe liberar, difundir en el fluido intercelular, y atar al receptor el neurotransmisor, y esto toma tiempo. La demora típica de las sinapsis químicas es de entre 0.3 y 0.5 ms, constituyendo la etapa más lenta de la transmisión nerviosa y la limitante principal de su velocidad.

Lo que sucede en las sinapsis químicas

Cuando un pulso nerviosos alcanza la terminal del axón, echa a andar una cadena de eventos sucesivos que pueden describirse como sigue:

1.- Se abren los canales de iones calcio (Ca2+) en la terminal axonal presináptica: Cuando el pulso nervioso llega al terminal axonal, la despolarización no solo abre los canales de Na+, si no que también lo hace con los canales de Ca2+ regulados por voltaje. Durante el breve tiempo en el que están abiertas las compuertas de los canales de calcio, estos iones inundan la terminal procedentes del fluido extracelular.

2.- Se libera el neurotransmisor por exocitosis: La oleada de calcio libre dentro de la terminal actúa como un mensajero intracelular que hace que las vesículas se fundan con la membrana del axón y viertan su contenido por exocitosis a la hendidura sináptica. Rápidamente después, el Ca2+ se elimina, tanto por su entrada a la mitocondria, como por su expulsión del axón por una bomba activa de calcio en la membrana.

3.- El neurotransmisor se enlaza con el receptor postsináptico: El neurotransmisor difunde a través de la hendidura postsináptica y se une reversiblemente a proteínas específicas que funcionan  como receptores, y que están densamente agrupadas en la membrana postsináptica.

4.- Los canales de iones se abren en la membrana postsináptica: El enlace de las proteínas receptoras con el neurotransmisor modifica su forma tridimensional provocando la apertura de canales de iones y el flujo de corriente resultante produce cambios locales en el potencial de membrana. En dependencia de la proteína receptora a la cual el neurotransmisor se une, y el tipo de canal que la proteína controla, la neurona postsináptica puede resultar excitada o inhibida.

Por cada impulso nervioso que llega a la terminal axonal presináptica un número relativamente grande de vesículas vierten su contenido en la hendidura sináptica (quizás 300), esto implica, que a medida que crece la frecuencia de pulsos, lo que es el resultado de un estímulo original más intenso, es mayor también la cantidad de vesículas que participan vertiendo su contenido, y mayor la influencia en la célula postsináptica. Digamos que la célula postsináptica "hereda" la intensidad del estímulo original.

Terminación de la influencia del neurotransmisor

Cuando un neurotransmisor se une al receptor y se mantiene allí enlazado, está bloqueando la recepción de nuevas "noticias" procedentes de la célula presináptica. Para restituir la recepción de mensajes resulta necesario algún tipo de borrado del mensaje postsináptico para dejar en limpio la hoja de noticias. Como ya se mencionó arriba, el efecto del neurotransmisor dura unos pocos milisegundos y se termina por alguna de las vías siguientes dependiendo del tipo de neurotransmisor:

1.- Es degradado por enzimas asociadas con la membrana postsináptica o presentes en la sinapsis, lo que sucede para el caso del neurotransmisor acetilcolina.

2.- Es eliminado de la sinapsis reabsorbido por los astrocitos (una de las células de soporte del tejido nervioso) de la terminal presináptica para ser almacenado o destruído por enzimas, caso de la norepinefrina.

3.- Difusión del neurotransmisor hacia zonas muy alejadas de la sinapsis con la pérdida de su influencia.

Potenciales postsinápticos

Varios receptores presentes en las membranas postsinápticas están especializados en la apertura de canales de iones, convirtiendo así las señales químicas en señales eléctricas. No obstante, a diferencia con los canales de iones cerrados por voltaje responsables de la generación de los potenciales de acción, estos canales cerrados son relativamente insensibles a los cambios en el potencial de membrana. Esto implica que la abertura de los canales en las membranas postsinápticas posiblemente no se convertirán en eventos auto-amplificados o auto-generados. En su lugar, los receptores de los neurotransmisores median cambios locales del potencial de membrana que estarán más o menos graduados en dependencia de la cantidad de neurotransmisor liberado y del tiempo de su presencia en el área.

Las sinapsis químicas no siempre son excitadoras, las hay también inhibidoras, y esto está en dependencia de como se afecta el potencial de membrana de la célula postsináptica. En concordancia con tales efectos, las sinapsis químicas se denominan sinapsis excitatorias y sinapsis inhibitorias.

Sinapsis excitatorias

En las sinapsis excitatorias el enlace del neurotransmisor produce la despolarización de la membrana postsináptica de la dendrita o el soma donde actúan. Sin embargo, a diferencia con lo que sucede en la membrana del axón solo se abre un tipo de canal en esta membranas postsinápticas. Esos canales abiertos permiten tanto al sodio como al potasio difundir a través de la membrana simultáneamente en direcciones opuestas (no como sucede en el axón en el que se abren primero los canales de sodio y luego los de potasio). Puede pensarse que tal intercambio de iones positivos (Na+ y K+) no conduce a la despolarización que hemos anunciado arriba, ya que la influencia de uno de ellos cuando entra a la célula es anulada por la salida del otro. Pero si tenemos en cuenta que el gradiente electroquímico del sodio es más pronunciado que el del potasio, entonces se importará más Na+ que el K+ que se exporta con lo que en el intercambio, el efecto de las cargas no se anula y se crea una despolarización neta.

Si una cantidad suficiente de neurotransmisor se liga, la despolarización de la membrana postsináptica puede alcanzar los 0 mV, valor que está mucho más allá del necesario para disparar un potencial de acción en el axón (unos ­‒50 mV), pero las membranas postsinápticas no generan potencial de acción ya que este fenómeno solo se produce en aquellas membranas con canales cerrados por voltaje, y estos solo existen en los axones. La pronunciada polarización invertida que se alcanza en los axones nunca se alcanza en las membranas que solo tienen canales cerrados químicamente, debido a que el tránsito opuesto del Na+ y el K+ impiden la acumulación de carga positiva muy elevada dentro de la célula. Por lo que, en lugar de potenciales de acción, lo que se genera en las membranas postsinápticas son eventos locales de despolarización denominados potenciales excitatorios postsinápticos (PEPS).

Los PEPS son breves, y duran unos pocos milisegundos, después de los cuales la membrana regresa al potencial de reposo. La utilidad práctica de los PEPS radica en que pueden participar en la creación de potenciales de acción en el cono axonal de la neurona postsináptica. Los flujos de corriente resultado de los PEPS individuales declinan con la distancia y poco pueden hacer para generar un potencial de acción en la célula postsináptica, pero a menudo estas corrientes pueden propagarse a lo largo de toda la ruta que los separa del cono axonal y llegar allí con suficiente fuerza como para producir corrientes que despolaricen el axón hasta el umbral, abrir los canales cerrados por voltaje, y generar un potencial de acción (más adelante se explica como).

Sinapsis inhibitorias

En estas sinapsis sucede lo contrario que en las anteriores. El enlace del neurotransmisor en las sinapsis inhibitorias reduce la capacidad de la neurona postsináptica para generar potenciales de acción. En la mayor parte de las sinapsis inhibitorias, el neurotransmisor induce la hiperpolarización de la membrana postsináptica al hacerla más permeable a los iones K+, a los iones Cl+, o a ambos, sin alterar la permeabilidad del Na+. Si lo que sucede es que se abren las compuertas de potasio, entonces estos iones abandonarán la célula, si las que se abren son las compuertas de cloro, entonces entrarán estos iones a la célula. En los dos casos, el resultado es el aumento de la negatividad relativa de la superficie interior de la membrana, con ello, el potencial de la membrana postsináptica se aleja del umbral, lo que hace mucho menos probable que se produzca un evento que conlleve a la generación del potencial de acción. Se necesitaría una gran corriente despolarizadora para inducir el pulso nervioso. El potencial que se alcanza en las sinapsis inhibitorias se conoce como potencial inhibitorio postsináptico (PIPS).

Fenómenos involucrados en las sinapsis

Varios fenómenos de manipulación de los potenciales en los eventos sinápticos se llevan a cabo comúnmente para lograr que la comunicación entre las neuronas tenga un resultado práctico.

Suma en la neurona postsináptica

Un PEPS individual no puede inducir un potencial de acción en la neurona postsináptica, pero si miles de terminales excitatorias están "bombardeando" a la misma membrana postsináptica con neurotransmisores; o también, aunque no sean muchas las terminales excitatorias pero ellas están liberando impulsos a elevada frecuencia en la misma membrana postsináptica, la probabilidad de que se alcance el umbral de despolarización aumenta grandemente. Lo que en la praćtica significa que los PEPS se pueden agregar unos a otros o sumarse para influir en la actividad de la neurona postsináptica. Si no se produce este efecto suma, el pulso nervioso jamás se generará.

Existen dos tipos de suma: (1) suma temporal y (2) suma espacial. Aunque las dos formas de suma típicamente ocurren juntas, las separaremos a fin de facilitar la descripción.

1.- Suma temporal: Esta suma ocurre cuando una o más neuronas presinápticas transmiten impulsos a la sinapsis con alta frecuencia, por lo que oleadas de neurotransmisores se liberan en rápida sucesión. El primer impulso genera un débil PEPS, pero antes de que este se disipe, los impulsos posteriores agregan nuevos PEPS. Los nuevos PEPS encuentran el "campo de batalla" parcialmente polarizado por los remanentes de los PEPS anteriores que no tuvieron tiempo para disiparse por completo, por lo que el efecto neto es subir el potencial suma a niveles cada vez más altos.

2.- Suma espacial: Ahora, la neurona postsináptica recibe múltiples estímulos de un gran número de terminales desde la misma, o desde diferentes neuronas al unísono. Como consecuencia de ello, un número enorme de sus receptores "atrapan" neurotransmisores e inician los PEPS respectivos simultáneamente. Tal oleada de PEPS da lugar a un potencial suma con notable aumento de la capacidad de despolarización.

Hemos descrito el fenómeno suma utilizando los potenciales excitatorios postinápticos, pero lo mismo ocurre con los potenciales inhibitorios postsinápticos (PIPS), tanto temporales como espaciales. La diferencia es que en este caso, la neurona postsináptica resulta inhibida en gran medida.

En la descripción llevada a cabo hasta aquí, hemos presentado un panorama simplificado de la interacción entre las células nerviosas. En la práctica, la mayoría de las neuronas reciben estímulos inhibitorios y excitatorios desde miles de otras neuronas, además, la misma fibra nerviosa puede formar diferentes tipos de sinapsis: químicas y eléctricas, con diferentes tipos de neuronas por donde puede fluir una avalancha de información diversa. Entonces, ¿como se puede clasificar y resolver toda esta información conflictiva? Al parecer, el cono neuronal funciona como un "contador" que lleva un "estado de cuentas" de las señales que recibe, sumando, no solo los PEPS y los PIPS, sino también suma los PEPS con los PIPS. Si el efecto estimulatorio de los PEPS domina el potencial de membrana lo suficiente como para sobrepasar el umbral, el axón lanza un potencial de acción. De lo contrario, si la sumatoria de potenciales está por debajo del umbral, o en el campo de la hiperpolarización, la neurona "guarda silencio" y no genera el potencial de acción. Pero, si la neurona está parcialmente despolarizada (la despolarización suma que tiene no llega al umbral) estará facilitada, es decir, más propensa a ser excitada por eventos de despolarización posteriores debido a que está más cerca del umbral. Se puede decir entonces, que el cono del axón funciona como un integrador nervioso, y su potencial, en un momento dado, refleja la suma de toda la información nerviosa recibida

Potenciación sináptica

El uso continuado o repetitivo de una sinapsis, mejora notablemente la habilidad de la neurona presináptica para excitar a la postsináptica, al producir potenciales postsinápticos mucho mayores de los que podían esperase con un estímulo en particular. En esta potenciación sináptica, los terminales presinápticos contienen elevadas cantidades de iones de calcio, lo que, se asume, provocan la liberación de mayores cantidades de neurotransmisores y esto a su vez genera elevados PEPS. También, la potenciación sináptica incrementa la entrada de calcio por las espinas dendríticas de la neurona postsináptica. Una estimulación de corta duración con un patrón de alta frecuencia, activa específicamente los receptores regulados por voltaje llamados receptores NMDA (N-metil-D-aspartato) localizados en la membrana postsináptica. Estos receptores sincronizan la despolarización con el incremento del ingreso de Ca+. En principio, cuando el calcio inunda la célula, activa ciertas enzimas quinasas, y estas promueven cambios que mejoran la eficiencia de la respuesta a estímulos posteriores. Puede decirse que la potenciación sináptica, también llamada potenciación post-tetánica, funcionalmente se puede ver como un proceso de apredizaje que aumenta la eficiencia de la neurotransmisión a lo largo de una ruta particular.

Inhibición presináptica

La actividad postsináptica puede verse afectada por eventos que ocurren en la membrana presináptica, una de estas afectaciones se denomina inhibición presináptica, y ocurre cuando la liberación del neurotransmisor excitatorio de una neurona resulta inhibido por la actividad de otra neurona a través de una sinapsis axoaxónica. En este proceso están involucrados varios mecanismos, pero su resultado neto es que se libera y enlaza menor cantidad de neurotransmisores, por lo que se generan pequeños potenciales excitatorios postsinápticos. Note que en resumen, es el resultado contrario a la potenciación sináptica vista anteriormente. A diferencia con la inhibición postsináptica de los PIPS que disminuye la capacidad excitativa de la neurona postsináptica, la inhibición presináptica es, funcionalmente equivalente a una sinapsis "recortada", que reduce la estimulación excitatoria de la neurona postsináptica por la neurona presináptica

Neuromodulación

Este es otro de los eventos que afectan la actividad postsináptica debido a fenómenos que ocurren en la membrana presináptica. La neuromodulación se produce cuando los neurotransmisores actúan por la vía de producir pequeños cambios metabólicos en las neuronas donde actúan, o por el efecto de sustancias químicas diferentes a neurotransmisores que modifican la actividad de las neuronas. Algunos neuromoduladores afectan la síntesis, liberación, degradación o reabsorción de los neurotransmisores por la neurona presináptica, mientras otros alteran la sensibilidad de la membrana postsináptica a los neurotransmisores. Varios neuromoduladores son hormonas, cuya liberación se ha hecho lejos del sitio donde actúan.

Para continuar el tema de la fisiología de tejido nervioso, lea la tercera parte, Neurotransmisores y sus receptores.



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