Resumen temas 8 al 11 psicobiología

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TEMA 8: DESARROLLO DEL SISTEMA NERVIOSO El desarrollo del SN es un proceso muy complejo que se inicia en las primeras semanas de la vida embrionaria, cuando algunas células del embrión quedan determinadas para formar el tejido nervioso. El SN, al igual que la piel, se desarrolla a partir del ectodermo, que es una de las tres capas embrionarias al inicio de la gestación. El proceso de desarrollo se lleva a cabo en diversas fases durante las que el SN es una estructura extremadamente dinámica, con una gran capacidad de cambio. Cada una de las fases del proceso requiere una gran precisión y de su correcta ejecución depende la organización y el funcionamiento posterior del SN.

MARCANDO EL TERRITORIO DEL SISTEMA NERVIOSO: NEURULACIÓN DEL EMBRIÓN

Morfogénesis del individuo: proceso general de la adquisición de la forma y características generales de la especie. Este proceso comienza en la fecundación con la formación del cigoto, que da paso al desarrollo embrionario-fetal. (Figura 8.1) La morfogénesis del SN comienza en un periodo muy temprano de la vida (3ª semana embrionaria). Anterior a esto el embrión es un disco formado por 2 capas de células (epiblasto e hipoblasto) (Figura 8.1) Gastrulación: Es una fase embrionaria que se inicia al comienzo de la 3ª semana en la que se forman las capas embrionarias de las que se desarrollarán todos los órganos corporales, incluido el SN. Este proceso se inicia al producirse una invaginación (el nódulo primitivo y la línea primitiva) en la parte dorsal del disco embrionario dando paso a una gran movilización de células hacia el interior del disco. Consecuencia de la movilización Se forma una capa embrionaria intermedia por lo que el disco embrionario pasa a estar formado por 3 capas (Figura 8.1):

- Endodermo: es la capa más interna del disco embrionario y de sus células se originan el sistema digestivo, respiratorio y algunas glándulas.

- Mesodermo: es la capa intermedia y de ella derivan los tejidos cartilaginoso, óseo y muscular, la dermis de la piel, el corazón, los vasos y las células sanguíneas, los riñones y el sistema reproductor.

- Ectodermo: es la capa más externa del disco embrionario y de él derivan la epidermis de la piel y el SN

Entre estas 3 capas embrionarias se establece una gran interacción y a partir de ellas comienzan a desarrollarse todas las estructuras del organismo.

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Figura 8.1

Neurulación del embrión: proceso mediante el cual el SN se origina del ectodermo. Consiste en que una parte del ectodermo queda determinada como tejido neural y se forman las primeras estructuras neurales embrionarias. Este proceso tiene 2 pasos consecutivos:

- La inducción neural, en este primer paso se marca el territorio neural del ectodermo. - Se forman las estructuras neurales iniciales (tubo neural y cresta neural) a partir de las

cuales se desarrollarán todas las que configuran el SN.

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El Comienzo es la Inducción Neural del Ectodermo

Inducción Neural consiste en que una parte del ectodermo queda determinada como tejido del que se originará el SN, es decir, como neuroectodermo. Este proceso tiene lugar cuando en el mesodermo se forma la notocorda prolongación precursora de la columna vertebral que define el eje céfalo-caudal del embrión (Figura 8.1), la cual establece con el ectodermo una intensa interacción fundamental para el proceso de la inducción neural. Los datos apuntan a que, la parte del mesodermo que contiene la notocorda envía unas señales inductoras al ectodermo desencadenando su diferenciación como neuroectodermo (modelo más sólido actualmente). Investigaciones de Spemann, propone que: En el desarrollo normal del embrión el mesodermo va a provocar la inducción neural de una parte del ectodermo mediante señales inductoras y el resto del ectodermo, al no recibir estas señales, se desarrolla como tejido epidérmico (piel) y no como SN. Pero, en los últimos 20 años se ha perfilado un modelo de acción de las señales inductoras neurales que es algo más complejo que el propuesto por Spemann. Se considera que: La primera acción del mesodermo está dirigida por unas moléculas (las proteínas morfogenéticas óseas) que promueven la diferenciación del ectodermo en tejido epidérmico, al mismo tiempo que inhiben activamente su determinación neural. Esta inhibición hace que para que se produzca la inducción neural deban actuar (ahora sí) las señales inductoras que neutralizarán las proteínas indicadas promoviendo así la determinación neural del ectodermo. Otra explicación alternativa: El destino del ectodermo, por defecto, es desarrollarse como neuroectodermo, y el hecho de que esto no sea así se debe a que actúan señales inhibitorias que impiden la neurulación de una parte del ectodermo y lo convierten en tejido epidérmico. De cualquier modo, lo esencial es que, con la inducción neural se establecen los límites del neuroectodermo. Seguidamente, en este proceso de interacción, el mesodermo promueve la proliferación (el nacimiento de las células por mitosis sucesivas) de las células del neuroectodermo formándose una placa neural más gruesa en la superficie dorsal media del disco embrionario (18 días embrionarios – 18E). (Figura 8.4). Esta placa es la precursora del SN, sus células han quedado determinadas para desarrollarse como células nerviosas y formarán tejido nervioso. Además, en esta primera fase de la neurulación se produce la regionalización (identidad a las distintas regiones, quedan determinadas para formar un determinado tejido nervioso) de la placa neural. Tras esta regionalización la placa sigue su proceso de cambio.

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Figura 8.4

- Tubo neural

La Placa Neural forma un Tubo y una Cresta Neurales 2º paso de la neurulación consiste en transformar la placa neural en 2 estructuras:

- Cresta neural Este proceso comienza cuando la placa neural se pliega sobre sí misma y aparece en la línea media un surco neural flanqueado por 2 pliegues (Figura 8.5). Estos pliegues neurales se fusionan en la zona medial de la placa y van cerrando el surco formando un tubo neural hueco.

Las aperturas transitorias (neuroporos rostral y caudal) al final de la 4ta semana desaparecen porque el tubo neural ha terminado de fusionarse completamente. El cierre de los neuroporos es una fase muy importante el desarrollo del embrión porque si no se realiza correctamente se producen una gran variedad de malformaciones congénitas.

- Fallo en el cierre del neuropopro caudal

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: produce malformaciones en la médula espinal, denominadas malformaciones de espina bífica Fallo en el cierre del neuroporo rostral

Las alteraciones en el cierre del tubo neural pueden ser debidas a mutaciones genéticas o a la intervención de factores ambientales que alteran el proceso de inducción y/o fusión del tubo. Al cerrarse el tubo neural, la parte externa de cada pliegue neural se separa del tubo y del ectodermo adyacente. Estas dos zonas escindidas de los pliegues neurales se fusionan y forman una estructura que se denomina cresta neural (Figura 8.5C). La cresta se sitúa entre el tubo neural y el ectodermo, ocupando una posición, primero dorsal y después lateral al tubo neural.

: produce malformaciones en el encéfalo (anencefalia) y en el cráneo, que queda escindido.

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Figura 8.5

SE ESTABLECEN LOS LÍMITES: FORMACIÓN DE LAS DIVISIONES DEL SISTEMA NERVIOSO

En el curso del desarrollo del tubo neural se van a originar todas las neuronas y las células gliales que formarán el SNC, mientras que en la cresta neural se originarán, además de otras, las células del SNP. Este proceso se lleva a cabo por la sucesión de una serie de fases, denominadas fases del desarrollo. Desarrollo del Tubo Neural: se forman las vesículas encefálicas Las divisiones del SNC comienzan a esbozarse en un periodo muy temprano del desarrollo. A partir de que se cierra el neuroporo rostral se inicia un periodo de transformación rápida del tubo neural en el que se esbozan la forma y los límites de las diferentes divisiones del SNC.

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CUARTA SEMANA QUINTA SEMANA SIGUIENTES SEMANAS Porsencéfalo (anterior)

Telencéfalo Hemisferios cerebrales Diencéfalo Tálamo, hipotálamo, subtálamo y epitálamo.

Mesencéfalo (medio) Mesencéfalo Mesencéfalo Romboencéfalo (forma de rombo)

Metencéfalo Puente y Cerebelo Mielencéfalo Bulbo

El proceso de transformación comienza con la dilatación del tubo neural en la región cefálica.

Figura 8.6

Al final de la 4ª semana

- En el prosencéfalo se distinguen ya 2 abultamientos laterales que son las vesículas ópticas.

el tubo neural se ha empezado a curvar por las flexiones mesencefálica y cervical y se aprecian 3 vesículas en esta región el prosencéfalo, el mesencéfalo y el rombencéfalo. Lámina terminal: limite anterior del tubo neural en este periodo.

- En el rombencéfalo se extiende la zona caudal del tubo neural (la futura medula espinal). En la 5ª semana

- El prosencéfalo se divide en 2 vesículas:

• Telencéfalo (anterior) se esbozan los hemisferios cerebrales al formarse 2 vesículas laterales que sobrepasan la lámina terminal.

• Diencéfalo (entre) se denomina así porque está situada entre el telencéfalo y el mesencéfalo.

- En esta semana el mesencéfalo permanece como una única vesícula.

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- En el rombencéfalo se producen varias trasformaciones: • se establece el límite con el mesencéfalo al formarse el istmo • el rombencéfalo se divide en 2 vesículas

1. Metencéfalo (más allá de): se forma la flexión pontina que plegará el metencéfalo hacia atrás contra el mielencéfalo

2. Mielencéfalo (médula) El interior hueco del tubo neural a lo largo de las vesículas cefálicas y de la zona caudal (médula espinal) configura las cavidades del futuro sistema ventricular (ventrículos encefálicos y canal de la médula espinal) (Figura 8.6) El tubo neural se segmenta: factores que establecen los límites En las primeras semanas del desarrollo embrionario humano, el tubo neural presenta un patrón característico de segmentación

- Las vesículas anteriores están divididas en segmentos llamados neurómeros, que desaparecerán en el desarrollo posterior.

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- En el romboencéfalo se delimitan una serie de segmentos abultados llamados rombómeros (Figura 8.7) son como unidades repetidas pero con identidad propia, marcados por el patrón regular de entradas y salidas de los nervios craneales.

- Esta segmentación también es evidente en la zona caudal del tubo neural en la que comienzan a formarse los ganglios espinales.

Figura 8.7

Esta segmentación, en el eje antero-posterior es continuación del proceso de regionalización y está dirigida por la expresión de genes homeóticos que progresivamente van marcando la identidad de las distintas regiones del encéfalo embironario. Estos genes, denominados genes homeobox o genes Hox, se expresan en el tubo neural en el mismo orden lineal en el que están en los cromosomas y cuyo patrón espacial de expresión establece que cada rombómeros es un compartimento repetido, pero separado de los adyacentes y con identidad propia.

La expresión de los genes Hox en los rombómeros está relacionada con la diferenciación de las neuronas reticulares y las neuronas de los núcleos sensoriales y motores de los nervios craneales. Esta expresión, no solo han de seguir un patrón espacial adecuado, sino también un adecuado ritmo temporal; porque si se producen alteraciones espacio-temporales aparecen malformaciones en el desarrollo del SN.

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Se establece el Patrón Dorso-Ventral en el tubo neural: regionalización funcional Se establece en gran parte de la extensión del tubo neural un patrón dorso-ventral, que diferencia y separa las células que llevarán a cabo funciones sensoriales de las que intervendrán en la coordinación motora. Este patrón determina que las células que van a desempeñar funciones motoras ocupen una posición ventral en el tubo neural y que las que se ocuparán de funciones sensoriales se ubiquen en posición dorsal.

Figura 8.8

El patrón dorso-ventral también se establece por mecanismos de inducción. (Figura 8.8) las señales inductoras dorsalizantes provienen del ectodermo dorsal a la cresta neural e inducen la diferenciación de la placa alar (techo) de las células que intervendrán en la coordinación sensorial y de la cresta neural, mientras que las señales inductoras ventralizantes provienen de la notocorda e inducen la diferenciación de la placa basal (desde el diencéfalo hasta la médula espinal) de las células que intervendrán en la coordinación motora. Surco limitante: separa las placas alar y basal. Las 5 vesículas segmentadas originan las divisiones y estructuras del SNC A las 5 semanas un embrión humano tiene 5 vesículas encefálicas y una prolongación caudal del tubo neural, que se han segmentado y han adquirido una regionalización funcional general (dorsal: sensorial – ventral: motora) En las próximas semanas del desarrollo, las células de la pared de estas vesículas y de la zona caudal del tubo neural llevarán a cabo un acelerado proceso de división y la pared se irá engrosando. Se produce un crecimiento diferencial (no homogéneo) en las diferentes zonas, lo que provocará la aparición secuencial de las diversas estructuras que forman las distintas divisiones del SNC maduro. El engrosamiento de la pared de las distintas vesículas provocará la formación de las divisiones del encéfalo y sus distintas estructuras.

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Figura 8.10

- En el telencéfalo de los hemisferios cerebrales primitivos se formarán la corteza cerebral y las estructuras subcorticales. - En el diencéfalo se formarán sus 4 componentes tálamo, hipotálamo, subtálamo y epitálamo. - En el mesencéfalo se formarán los colículos. - El posterior desarrollo de la zona dorsal del mesencéfalo con influencia del mesencéfalo adyacente provocará el

desarrollo del cerebelo. - En la zona ventral del mesencéfalo se desarrollarán las estructuras del puente. - El mielencéfalo formará el bulbo raquídeo. - El engrosamiento de la zona caudal del tubo neural provocará la formación de la médula espinal.

Desarrollo de la Cresta Neural: formación del SNP La cresta neural, que se extiende desde la vesícula diencefálica hasta el extremo caudal del tubo neural, es la que origina el SNP. Al comienzo de su desarrollo se sitúa dorsal al tubo neural y después se parte en 2 mitades que se colocan a cada lado del tubo en interacción con el mesodermo subyacente. El mesodermo que bordea el tubo neural está segmentado en bloques llamados somitas unidades precursoras de la musculatura axial y del esqueleto. A partir de la 4ª-5ª semana las células de la cresta neural, agrupadas junto a los somitas a ambos lados de la región caudal del tubo neural, formarán los ganglios espinales que se localizarán a intervalos regulares (marcados por los somitas) a lo largo de la región caudal del tubo neural. Esta organización segmentada (1º somitas – 2º ganglios espinales) establece la organización segmentada madura de la médula espinal. Hacia la 6ª semana

del desarrollo se producirá la unión entre estos ganglios periféricos derivados de la cresta neural y la médula espinal, comenzando a adquirir su organización madura característica.

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Figura 8.11

Las células de los ganglios espinales, situadas en el margen dorso-lateral de la médula espinal, empiezan a extender 2 prolongaciones:

- una hacia la periferia (centrífuga). Las prolongaciones centrífugas se unen a los axones en crecimiento de las células del asta ventral de la médula espinal que se dirigen hacia los somitas y juntos forman los nervios espinales.

- otra central (centrípeta) que se dirige hacia el asta dorsal de la médula espinal. Las prolongaciones centrípetas forman las raíces dorsales de los nervios espinales.

La formación de los ganglios craneales no parece depender de la interacción con el mesodermo, pero al igual que la de los ganglios del SN autónomo, siguen procesos similares a los que se producen en los ganglios espinales.

Resumen: La descripción de la morfogénesis de las 2 partes del SN explica en términos embriológicos que el SNC y el SNP son 2 sistemas separados, ya que cada uno se origina de una zona distinta de la placa neural, pero también que su separación anatómica no es total y que mantienen una constante interacción funcional.

FASES DEL DESARROLLO La morfogénesis se lleva a cabo por la sucesión de una serie de fases que requieren una gran precisión. Estas fases son secuenciales para cada célula, pero coexisten en el SN en desarrollo si se comparan células de diversas estructuras. Proliferación celular Es la fase en la que nacen las células (neuronas y células gliales) que componen el SN.

Neuroepitelio: delgada capa de tejido que forma la pared del tubo neural en la 4ª semana del desarrollo. Está formado por células germinales embrionarias llamadas células madre del SN

¿Dónde están las Madres? Zonas Proliferativas

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(porque sólo originarán células nerviosas), que a partir del cierre del neuroporo rostral del tubo comienzan la fase de proliferación celular (gran actividad mitótica). Figura 8.12

Durante la mitosis las células madre se sitúan en la zona ventricular mientras que en el periodo intermitótico ocupan la zona marginal. Esta distribución aporta al neuroepitelio una apariencia de estar formado por capas (pseudoestratificada).

De las divisiones rápidas de las células madre nacen células progenitoras que también se dividen con gran rapidez. Estas divisiones se producen en la zona ventricular del neuroepitelio. La zona marginal está formada por células en periodo de interfase. (Figura 8.13) Las divisiones mitóticas de las células progenitoras originan en principio otras células progenitoras y, tras varias divisiones, éstas realizan una última división que produce neuronas inmaduras (no se dividen más) o glioblastos (si pueden dividirse durante toda la vida).

Muchos de los glioblastos que se originan en la zona ventricular se diferencian en un tipo de glía llamada glía radial que es característica de esta zona durante el periodo embrionario. Gran parte de la proliferación celular se produce en la zona ventricular de las diferentes regiones del tubo neural:

- Zona ventricular las células se dividen sucesivamente hasta que han proliferado una gran cantidad de las neuronas inmaduras que formarán las diferentes estructuras del SNC y muchos glioblastos (esto es lo visto hasta ahora).

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Pero, hay otras zonas proliferativas: - Zona Subventricular Segunda zona proliferativa en el neuroepitelio del telencéfalo

- Capa granular externa

. Se forma sobre la zona ventricular con células progenitoras y glioblastos que se desplazan a ella en un periodo temprano del desarrollo y en ella nacen neuronas inmaduras de pequeño y mediano tamaño y la gran mayoría de las células gliales. Esta zona es además fundamental porque en ella nacen neuronas en la edad adulta.

Segunda zona proliferativa del cerebelo

En el proceso de proliferación del tubo neural se originarán los distintos tipos de neuronas y células gliales que forman la sustancia gris y la sustancia blanca del SNC. En el proceso de proliferación de la cresta neural se produce un proceso mitótico acelerado por el que se originan muchas células del SNP (todas las neuronas y la glía de los ganglios craneales y espinales, las células de Schwann y las células de los ganglios del SN autónomo).

. Se forma en la zona externa del neuroepitelio del cerebelo. En ella proliferan las neuronas inmaduras que se diferenciarán en células granulares y el resto de interneuronas del cerebelo. (La primera zona proliferativa del cerebelo es la típica zona ventricular del neuroepitelio del techo del IV ventrículo en la que proliferan las neuronas que se diferenciarán en células de Purkinje, células de Golgi y células de los núcleos profundos)

¿Qué será: Neurona Inmadura o Glioblasto?

Distintas posibilidades respecto al origen de las neuronas inmaduras y los glioblastos. A. Las células progenitoras son pluripotenciales y generan indistintamente neuronas inmaduras y glioblastos. B. Sólo hay un tipo de cálulas progenitoras, que primero origina neuronas inmaduras, y después glioblastos. C. Actualmente se considera que existen dos tipos de células progenitoras, uno que origina las neuronas inmaduras y otro del que derivan los glioblastos, o sea, que la determinación proviene ya de las células progenitoras.

- Neurogénesis postnatal. Ejemplo, en nuestra especie: las células granulares del cerebelo, hasta el séptimo mes de vida postnatal.

Tiempo de Nacimientos: Neurogénesis Neurogénesis: nacimiento de las neuronas. Ocurre con la última división de las células progenitoras. Un aspecto importante es que la neurogénesis no ocurre simultáneamente en las distintas zonas del tubo neural de modo que cada una tiene su propio periodo de neurogénesis. La mayor parte de la neurogénesis se produce en el periodo prenatal, pero hay excepciones:

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En cualquier región del tubo neural nacen antes las neuronas de proyección que las interneuronas (neuronas de circuitos locales). Como cosecuencia de esta actividad proliferativa, la pared del tubo neural se irá engrosando y se formarán secuencialmente las distintas estructuras que componen el SNC. Viajando a Casa: la Migración Celular

Las neuronas inmaduras se desplazan desde la zona en la que han nacido hasta su zona de destino. Al iniciar esta fase de migración las neuronas se sitúan entre la zona ventricular y la zona marginal del neuroepitelio y forman la zona intermedia o capa del manto, su ubicación en esta zona es transitoria porque prosiguen su desplazamiento hasta alcanzar su destino definitivo.

- Función de la glía radial en la migración neuronal es fundamental ya que sirven de soporte mecánico a las neuronas inmaduras para su desplazamiento a través del neuroepitelio.

¿Qué tren tomar?: Mecanismos de Migración en el Tubo y Cresta Neurales En el TUBO NEURAL la mayoría de las neuronas inmaduras migran guiadas por las células de glía radial que nacen en la zona ventricular al mismo tiempo que lo hacen las neuronas inmaduras.

Las neuronas en migración se desplazan por las prolongaciones gliales con un movimiento ameboide. Este mecanismo de migración, que conlleva la interacción entre las neuronas y la glía radial, está controlado por moléculas de la membrana celular.

- Las moléculas de adhesión celular neurona-glía (MAC-Ng): • Realizan el reconocimiento de las prolongaciones de la glía radial para iniciar la

migración, y • Controlan la adhesividad de las neuronas migratorias a las mismas para permitir el

desplazamiento de la neuronas. Una vez terminada la migración, las células de la glía radial adquieren otras funciones.

El mecanismo de migración guiada desde la zona ventricular por la glía radial se considera universal para todas las células del SNC en desarrollo.

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En la corteza cerebral, las neuronas migratorias se establecen en las capas siguiendo un patrón de dentro hacia afuera en relación con la fecha de su nacimiento, con una excepción: en la capa I, aunque es la más superficial, se instalan las primeras neuronas que nacen en el neuroepitelio telencefálico. Todas las neuronas de la placa cortical ascienden por las capas formadas antes, hasta alcanzar la capa I, y luego descienden hasta ocupar su capa. En la corteza del cerebelo hay 2 patrones de migración (recordar que hay 2 zonas proliferativas):

- Las células que proliferan en la zona ventricular siguen la secuencia habitual de migración a través de la zona intermedia hasta situarse en su capa.

- Las células granulares del cerebelo, que proliferan en la capa granular externa, siguen la secuencia inversa, éstas migran guiadas por la glía radial desde la capa granular externa hasta alcanzar la localización en su capa.

Controversia ¿dónde finalizan su migración y establecen su destino las neuronas?:

- Teoría preformacionista considera que el destino de las células está ya preestablecido antes de iniciar su migración

- Teoría epigenética (opuesta) la posición que toma una neurona al terminar su migración puede estar determinada por la interacción que establece con el entorno al que llega, con las células previamente establecidas.

Sin embargo, hay acuerdo en que terminan su migración cuando se altera la adhesividad de las células por cambios en la activación de las MAC, y por la participación de las moléculas de la matriz extracelular. En la CRESTA NEURAL las células siguen un mecanismo diferente de migración ya que llegan a su zona de destino ayudadas por moléculas de la matriz extracelular. El inicio de la migración de las células de la cresta neural lo determina la maduración de la matriz extracelular que la bordea. Estas células migran guiadas por las vías que establecen las moléculas de esta matriz y su destino depende totalmente de la ruta que ésta les marca.

Hay 2 vías de migración de las células de la cresta neural: - Vía dorsolateral las de la región craneal del embrión

migran a través de una vía lateral bajo la superficie del ectodermo y la matriz extracelular que las guía determina que se diferencien en células no neurales.

- Vía ventromedial las de la región del tronco lo hacen por una vía central que discurre entre el tubo neural y los somitas, y la matriz extracelular que las guía determina que se diferencien las distintas células del SNP y las células de la médula suprarrenal.

Durante la migración celular, en la superficie de la membrana de las células migratorias se activan receptores para las moléculas de adhesión celular; los cambios que se producen en éstos y en los componentes de la matriz extracelular, determinan si las células se adhieren con más fuerza entre sí o con las sustancias de la matriz extracelular, y si terminan o no la migración.

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Cada población es distinta: la diferenciación neuronal y formación de las vías de conexión Cuando la neurona termina su migración comienza a madurar. La maduración incluye su diferenciación y la fromación de las vías de conexión. La diferenciación neuronal En esta fase la neurona adquiere las características morfológicas y fisiológicas de la neurona madura (adulta). La diferenciación morfológica básica de una neurona está programada antes de que alcance su destino, pero, el pleno desarrollo de su arborización depende del entorno de las neuronas y de las interacciones que se establecen entre ellas. A partir de la semana 15 y después del nacimiento hay un segundo periodo de maduración que está relacionado con la formación de las vías de conexión y el periodo de establecimiento de conexiones que son fundamentales para la completa diferenciación neuronal. La maduración de la neurona implica, además de unas características morfológicas, la adquisición de propiedades fisiológicas específicas. Los impulsores del urbanismo neural: el cono de crecimiento y los factores que guían los axones hacia sus destinos

El complejo proceso de crecimiento de la neurona inmadura depende de los conos de crecimiento. Éstos existen en todos los extremos de las prolongaciones neuríticas (axones y dendritas) que están desarrollándose y son los que propulsan su crecimiento.

Los conos de crecimiento extienden y retraen los filopodia (simple extensión del terminal a modo de dedo) que se agarran al substrato en el que crecen y tiran del cono de crecimiento, promoviendo a su vez el estiramiento de las neuronas (axones y dendritas). Estos movimientos del cono están controlados por el citoesqueleto celular. Otro de los objetivos de los movimientos del cono es captar del entorno neuronal nuevo material de carácter nutritivo para promover el crecimiento global de la neurona. Estas sustancias que favorecen el crecimiento de las prolongaciones se llaman sustancias neurotróficas. La primera sustancia neurotrófica se descubrió en el SNP y se denominó factor de crecimiento nervioso (FCN).

Los factores que contribuyen a guiar los axones hacia sus destinos implican tanto procesos de reconocimiento molecular o de afinidad química como soportes de tipo mecánico.

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Proceso de afinidad química (propuestas): - Desde las zonas de destino (dianas) de los axones emanan sustancias que los dirigen hacia

ellas. Estas sustancias con esta capacidad directriz se denominan sustancias neurotrópicas. (Propuesto por Ramón y Cajal)

- Hipótesis de la quimioafinidad. Según esta hipótesis cada célula tiene su propia señal de identificación química y sus axones en crecimiento se dirigen hacia señales complementarias específicas liberadas por las neuronas con las que contacta. (Propuesto por R. Sperry, menos aceptada)

Soportes mecánicos: Se ha comprobado que los axones se dirigen a sus blancos (estructuras de destino) guiados de diversos modos por soportes mecánicos del entorno en el que crecen. Este entorno lo proporciona la matriz extracelular, y parece que en ella se pueden establecer rutas o senderos que guían los axones a sus destinos y repelen e impiden la extensión de otros axones próximos. El balance que se establece entre las distintas moléculas de la matriz extracelular va cambiando durante el recorrido del axón y cuando el axón llega a su destino un nuevo entorno extracelular puede señalar la detención del crecimiento del axón. Este es un mecanismo útil para los primeros axones que crecen en una estructura (axones pioneros). Los que crecen posteriormente pueden seguir las rutas marcadas por estos pioneros o agruparse en torno a éstos y a otros para dirigir su crecimiento. Este mecanismo se denomina fasciculación (viajar juntos) y se apoya en las propiedades de adhesión de las MAC.

- Un gran número de las neuronas que nacen en el proceso de neurogénesis, aunque se diferencien y completen el crecimiento de sus axones y éstos lleguen a sus destinos, afrontan una batalla en la que mueren.

Control de poblaciones: supervivencia y muerte neuronal En todo el SNC se produce una neurogénesis excesiva.

Esta muerte celular natural llamada apoptosis o muerte celular programada (porque está dirigida genéticamente) sucede en cantidades importantes durante el desarrollo normal, con una tasa entre el 25%-75% de las poblaciones iniciales y ocurre en el último periodo prenatal y en el periodo postnatal temprano. La muerte neuronal es una fase del desarrollo tan importante como la neurogénesis. Es el mecanismo que permite controlar y establecer las poblaciones neuronales realizando un ajuste adecuado entre las poblaciones que emiten axones (presinápticas) y las poblaciones diana (blanco) que los reciben (postsinápticas)

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- Experimentos ya clásicos en la investigación del desarrollo demostraron que las motoneuronas que no podían realizar sinapsis porque se eliminaban sus células diana antes de que sinaptaran sobre ellas, morían. También demostraron que si el área diana de los axones aumentaba, se reducía la muerte.

Factores implicados en la supervivencia neuronal LAS DIANAS DE LOS AXONES son uno de los factores implicados en la determinación de las poblaciones neuronales.

La explicación respecto a qué podían proporcionar estas diana para promover la supervivencia de las neuronas llegó con el descubrimiento del FCN, la primera sustancia neurotrófica conocida. Teoría neurotrófica: las neuronas nacen en cantidades muy superiores a las necesarias y deben competir entre ellas para obtener el factor trófico (el FCN) que es producido en cantidades limitadas por las células diana con las que establecen contactos. Este factor trófico de las dianas actúa retrógradamente en las neuronas promoviendo su mantenimiento y supervivencia de modo que sobreviven las que tienen más acceso a él. (supervivencia de las más aptas, símil con la selección natural) La familia de los factores neurotróficas o neurotrofinas tiene una importancia crucial para la supervivencia neuronal porque las neuronas que no obtienen una cantidad suficiente de estas proteínas se ven abocadas a la muerte (Fig. 8.31). LOS AXONES AFERENTES Y LAS SINAPSIS que establecen las neuronas con las Dianas. Cuando los axones en crecimiento llegan a sus diana establecen contactos con las neuronas del mismo. En estos puntos de contacto entre los axones aferentes y las neuronas de destino, se forman unas estructuras especializadas en la transmisión de señales neurales, denominadas sinapsis. El período en el que se forman las sinapsis se denomina sinaptogénesis, el cual comienza muy pronto en el desarrollo; de modo que, mientras unas neuronas están proliferando, otras ya están formando sinapsis. Tanto en el SNC como en el SNP, la sinaptogénesis se lleva a cabo en dos fases:

1. Fase de sobreproducción en la que se forman numerosas sinapsis provisionales. 2. Fase en la que se eliminan muchas de las que se realizaron inicialmente y se reorganizan

las restantes. Primero se forman sinapsis sobre las dendritas de las neuronas diana y más tarde se forman las sinapsis sobre los cuerpos celulares. Resultados de diversos experimentos indican que las conexiones sinápticas que se establecen sobre una diana regulan la cantidad de neurotrofina que ésta produce y, por tanto, la cantidad que estará disponible para ser captada por los terminales que llegan a ella. En este sentido, cuantas más sinapsis se establecen en una diana mayor es la posibilidad de que sobrevivan las neuronas que establecen sinapsis con ella (Fig. 8.31). Se ha demostrado que los terminales presinapticos (aferentes) son muy importantes para la supervivencia de las neuronas postsináptica (diana), ya que si se elimina se produce un gran aumento de muerte neuronal en las dianas; la magnitud el efecto es diferente dependiendo del período en que se eliminen las aferencias.

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FACTORES ENDOCRINOS donde están implicadas hormonas gonadales o sexuales. Estas hormonas son fundamentales durante el desarrollo perinatal (se define como el período que comprende desde la 22 semanas de gestación (154 días) hasta el término de las primeras 4 semanas de vida neonatal (28 días) porque establecen las diferencias morfológicas y fisiológicas del SN que subyacen a las diferencias conductuales características de cada género.

Hipótesis de la organización: planteaba que en el desarrollo perinatal los andrógenos (hormonas masculinas) diferencian los tejidos neurales responsables de la conducta reproductora. Se ha visto así, la importancia de estas hormonas como factores epigenéticos del desarrollo. En diferentes especies, incluida la humana, el SN tiene características dimórficas entre los géneros, influyendo sobre las poblaciones neuronales. Este dimorfirmo sexual depende de los efectos organizadores que ejercen las hormonas sexuales en periodos perinatales (cuando se produce la muerte celular programada), críticos para el desarrollo neural. El entorno hormonal al que está expuesto el SN en el periodo perinatal favorece o perdujica la supervivencia neuronal estableciendo diferencias entre las poblaciones neuronales de ambos sexos (se puede observar en las estructuras sexualmente dimórficas de los circuitos neuronales que controlan las conductas reproductoras en mamíferos).

Se remodelan las vías de conexión Después de que se han ajustado las poblaciones neuronales el SN experimenta durante el periodo postnatal un remodelado

- Una gran eliminación de sinápsis establecidas previamente (por falta de precisión en la inervación o porque la célula diana recibía un número erróneo de aferentes).

que es fundamental para su funcionamiento, que incluye:

Una causa de eliminación de sinápsis es la muerte neuronal, como se ha visto, al desaparecer los contactos que habían formados. Pero hay otros factores que provocan posteriormente una gran pérdida de contactos sinápticos, como la eliminación de colaterales de axones en determinadas zonas como el cuerpo calloso. Se produce una “poda” de muchos colaterales y se eliminan sus contactos sinápticos.

- Y una reorganización de los contactos que establecen los terminales que permanecen.

El proceso de remodelación sináptica coincide con el comienzo de la actividad neuronal y se ha comprobado que la actividad sináptica es fundamental para que se mantengan las conexiones neurales ya que las que no se usan o se usan a destiempo se eliminan. Hipótesis de la competencia: los aferentes que llegan a una diana compiten entre sí y sólo establecen contactos fuertes los que tienen mayor actividad. Hubel y Wiesel en la década de 1960

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indicaron que la fuerza de la sinapsis depende de su coactivación, de manera que las sinapsis coactivas se hacen estables, mientras que las que están inactivas (especialmente cuando otras están activas), se debilitan y son eliminadas.

- Estos experimentos dieron soporte al concepto de plasticidad neuronal, o capacidad de cambio, de adaptación del SN. Mostraron que la estimulación sensorial en periodos críticos del desarrollo es fundamental para la configuración de los contactos sinápticos, aunque en el SN también se produzca actividad espontánea la cual intervienen en la remodelación sináptica.

En general, en el encéfalo humano durante los primeros 4 años después del nacimiento aumenta progresivamente el número de contactos sinápticos en respuesta a la actividad neuronal, y a partir de ese periodo y hasta la pubertad se produce una gran reorganización sináptica, pero los periodos concretos de remodelación son propios de cada región. La reorganización sináptica aporta precisión y eficiencia de los contactos sinápticos porque se eliminan muchos de los que no se han utilizado y son superfluos, y se preservan sólo los que han mostrado su eficiencia en la actividad neural. También reduce su gasto energético general, permitiendo que pueda disponer de más energía para la actividad de los circuitos neurales que son esenciales. Por lo tanto, el periodo postnatal, la primera infancia en humanos, es un periodo en el que las experiencias que vive cada individuo, marcarán el destino que sus contactos sinápticos tendrán más adelante. El SN conserva una capacidad de cambio que permite afinar los circuitos de un modo muy preciso para lograr su funcionamiento óptimo en un entorno cambiante. Estos períodos en el que el SN es vulnerable a influencias que están más allá de la programación intrínseca (genética) del desarrollo se denomina período crítico o período de máxima susceptibilidad. Además de la experiencia, otros factores epigenéticos influyen sobre las distintas fases del desarrollo del SN, como las hormonas gonadales, la administración de sustancias adictivas (alcohol, drogas, tabaco), los ambientes enriquecidos o empobrecidos, la nutrición, etc. ¿Hasta cuando la remodelación? Cuando los axones han terminado su periodo de crecimiento, han emitido sus colaterales y han consolidado sus conexiones comienza el proceso de mielinización. Ésta se da desde el periodo prenatal hasta bien entrada la edad adulta (no termina antes de los 30 e incluso 50 años). Ocurre en ciclos, con una consecuencia ordenada predeterminada, en dirección caudo-rostral. Diversas investigaciones apuntan que la mielinización se desencadena con el comienzo de la actividad neural y que es un proceso dependiente de la experiencia. Se ha demostrado que la extensión de la sustancia blanca varía entre diferentes sujetos en función de la experiencia y del entorno cambiante en el que se desarrollan. Cambia con las destrezas que se adquieren (ejemplo de un pianista experto con más sustancia blanca en determinadas regiones del encéfalo y con axones con más mialina). En niños que crecen en ambientes empobrecidos el cuerpo calloso es hasta un 17 % más pequeño que lo normal, y al contrario.

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La experiencia influye en la mielinización, y la mielinización influye en la capacidad funcional del SN, en el aprendizaje y en la adquisición de destrezas. La mielinización es un proceso fundamental del desarrollo del SN porque la mielina aumenta la velocidad de conducción de las señales neurales por el axón. Sin embargo, la mielinización también aporta cierta rigidez a los circuitos neuronales, lo que limita la formación masiva de sinapsis. La mielina contiene una proteína que impide que los axones se ramifiquen y establezcan nuevas conexiones. Destrezas como tocar un piano o aprender idiomas sólo se adquieren bien si se aprenden antes de que termine la mielinización de los circuitos neurales implicados. No obstante, el SN adulto sigue manteniendo capacidad de cambio. Sigue produciéndose sinaptogénesis en la edad adulta, aunque a niveles bajos; ocurre reorganización sináptica. Esta capacidad de que en los contactos sinápticos se produzcan cambios que reflejan las experiencias vividas y que permiten la adaptación al entorno cambiante se denomina plasticidad neural, y aunque es mayor en la infancia, se mantienen durante toda la vida. Desde hace unos años se están dando a conocer los primeros datos que confirman que en primates adultos, incluido el hombre, se siguen generando neuronas (a partir de células madre) en el giro dentado del hipocampo y en la zona subventricular del encéfalo anterior. De modo general se puede decir que los factores genéticos establecen una organización básica, que dirige el desarrollo del SN basándose en la superabundancia. En el periodo perinatal y la primera infancia, la interacción con el ambiente interno del organismo y las experiencias que afronta el SN producirán cambios en la estructura inicial, que serán fundamentales para configurar la organización anatomofuncional del SN de cada individuo. Su organización madura, no obstante, seguirá conservando capacidad de cambio durante el resto de la vida, lo que permitirá aprender, recordar o recuperar funciones tras lesiones o accidentes. Todo esto demuestra que el SN está bien adaptado para enfrentarse a un entorno de cambio constante.

TEMA 9: FILOGENIA DEL SISTEMA NERVIOSO Psicobiología

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TEMA 9: FILOGENIA DEL SISTEMA NERVIOSO El estudio de los organismos simples como las bacterias pone de manifiesto que:

- las bacterias tienen una relación activa y adaptativa con el medio ambiente, equivalente a la de los animales, y que se puede llevar a cabo sin necesidad de sistema nervioso.

- los elementos básicos que permiten a las neuronas recibir y procesar información paras generar respuestas adaptativas ya estaban presentes en organismos filogenéticamente tan antiguos como las bacterias.

La E. Coli es una bacteria que habita en nuestro tracto intestinal ayudándonos a digerir los alimentos que ingerimos. Esta bacteria siente, recuerda e investiga su medio ambiente como si se tratase realmente de un animal. En un medio en el que hay distintas concentraciones de glucosa la bacteria se mueve propulsada por sus flagelos desde las zonas en las que no hay o hay poca concentración de glucosa hacia las que presentan mayor concentración. (Figura 9.1)

Este comportamiento se da debido a 3 circunstancias:

1. E. Coli dispone de un receptor (proteina de membrana) en su cubierta celular que detecta la glucosa.

2. Cada uno de los receptores (para las diferentes moléculas) provoca una respuesta en el interior celular que desencadena la tercera de las circunstancias.

3. Se da un cambio en la actividad de sus flagelos que le hace dirigirse hacia la zona de mayor concentración de la sustancia detectada, alejarla de ella si es tóxica o moverse buscando por el medio sino encuentra ningún tipo de señal.

En la E. Coli existen mecanismos que permiten memorizar, retener información pasada proporcionada por los receptores y compararla con


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la actual, ya que de otra forma no podría dirigirse en el sentido de menor a mayor concentración como realmente hace, simplemente se pararía al encontrar el primer cambio de concentración y no seguiría explorando fuentes mejores. La E. Coli puede integrar la información que en un momento dado le puedan proporcionar distintos receptos y con esta integración se convertirá en la señal que regulara la actividad de los flagelos. Otra bacteria es la Halobacterium Salinarium (habita en las marismas) y tiene además de los receptos de la E. Coli, un fotopigmento sensible a la luz naranja que es una fuente de energía para esta bacteria. Se mueve en la dirección de la fuente luminosa. Ambas bacterias son capaces de emitir un comportamiento sin sistema nervioso pero sin embargo su conducta es equiparable a la que efectúa cualquier organismo pluricelular sencillo dotado de SN. La neurona presenta una gran similitud con el modo de actuar de estas bacterias pero aun así, lógicamente la neurona es una célula muy especializada que desarrolla su actividad dentro de un organismo pluricelular por lo que son notables sus diferencias con las bacterias. EL TEJIDO ESPECIALIZADO EN EL PROCESAMIENTO DE LA INFORMACION La aparición de las células eucariotas, propicio la aparición de organismos pluricelulares y heterótrofos denominados Metazoos. Los Metazoos están constituidos por la agrupación solidaria de distintas poblaciones celulares con funciones especializadas las cuales condujeron a la aparición de las neuronas y con ellas a la diversificación conductual del reino animal. Las esponjas son poríferos, el grupo de metazoos filogenéticamente mas antiguo que conocemos. Su estructura es sencilla: esta formado por dos capas, una interna, la endodermis, y otra externa la epidermis. Entre una y otra capa existen células neuroepiteliales que responde a estímulos táctiles y químicos y provocan contracciones del cuerpo que abren y cierran los poros a traves de los cuales estos animales filtran el agua y extraen los nutrientes de los que se alimentan.


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Figura 9.2 La Esponja

1. La red nerviosa El siguiente paso evolutivo del SN es representado en animales como son los celentéreos (hidras, medusas, corales y anémonas de mar) en los que ya se encuentra un tejido nervioso propiamente dicho, junto con fibras musculares, glándulas y células sensoriales. Este tejido nervioso se distribuye por todo el cuerpo del animal formando una red nerviosa difusa compuesta por grandes células nerviosas bipolares y multipolares distribuidas sin orden particular por todo el cuerpo del animal. Las prolongaciones de estas neuronas aun no tienen una diferenciación funcional que permita distinguir a los axones de las dendritas y los impulsos nerviosos se transmiten por la red en todas las direcciones por igual Una estimulación de cualquier punto del cuerpo del animal puede desencadenar una acción en todo el sistema efector (músculos y glándulas). Las neuronas están muy próximas a los órganos efectores y no existe ningún tipo de especialización regional. Figura 9.3 La Hidra


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2. El Sistema Ganglionar

Este sistema es el siguiente paso en la organización del tejido nervioso durante la filogenia. La unidad de este nuevo nivel de organización es el ganglio masa neuronal compacta que favorece un contacto mas rápido entre las células nerviosas y un mayor grado de integración de la información. Ejemplo de esta organización lo representan los anélidos (lombrices de tierra y sanguijuelas) con el cuerpo dividido en segmentos (metámeros) que viven en el mar, ríos y tierra firme. Figura 9.4 Lombriz de tierra


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En el sistema ganglionar se aprecia ya una parte central formada por el conjunto de ganglios, que procesa la información del exterior y controla a su vez a la porción periférica, constituida por los receptores sensoriales y los nervios a traves de los cuales los ganglios reciben la información y la envían a los músculos y glándulas. Encefalizacion El tamaño de los ganglios no es similar en todos los metameros y esto se debe a 2 causas:

- Es que el tamaño esta directamente relacionado con la cantidad de funciones que realice el ganglio.

- Es la tendencia que se que se aprecia a lo largo de la filogenia, al desarrollo de unidades funcionales mayores que las metamericas a traves de la fusión de dos o mas de estas unidades.

Los ganglios tienden a aumentar en la zona rostral ya que son los primeros que toman contacto con el mundo exterior por lo tanto a lo largo de la filogenia es en esta zona donde se han ido alojando los principales receptores sensoriales especializados en la teledetección recepción a distancia de los estímulos ambientales que permite al animal recibir información sin necesidad de entrar en contacto directo con la fuente estimular. Por la similitud anatómica y funcional con el encéfalo de vertebrados (agrupación neuronal rostral encargada de la coordinación y regulación de otros centros nerviosos) a estos ganglios se les denomina ganglios cerebrales o encefálicos. Encefalizacion: Proceso general que a lo largo de la filogenia ha ido acumulando progresivamente mayor cantidad de neuronas en la parte anterior del cuerpo de distintas especies animales. En la mayoría de los invertebrados existen axones de gran calibre (de hasta 1mm de diámetro) que permiten una conducción rápida de los impulsos nerviosos. La causa de estos grandes axones en los invertebrados esta en que, al carecer de mielina (vaina aislada del axon de vertebrados que eleva la


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velocidad de transmisión del impulso nervioso sin necesidad de incrementar el calibre. Este incremento tiene un coste energético considerable y por ello no es una estrategia que se haya implantado con carácter general en el SN de los invertebrados. La ventaja que supone los axones gigantes solo es empleada en situaciones criticas como los reflejos de huida, que permiten al animal desplegar conductas de escape en un corto espacio de tiempo. Las neuronas con axones gigantes son el eslabón final de circuitos reflejos conectados a traves de sinapsis eléctricas, las cuales tienen la ventaja de ser muy rápidas y permiten sincronizar en muy poco tiempo a grupos de neuronas para que den una respuesta con junta, sin embargo tienen el inconveniente de no poder ser moduladas propiedades exclusiva de las sinapsis químicas. El SN de los invertebrados parece tener serias dificultades para seguir incrementando su complejidad, las causas barajadas de estas limitaciones son 2:

- el tamaño corporal que pueden alcanzar estos organismos - la velocidad de trasmisión del impulso nervioso que son

capaces de conseguir sus neuronas. Los artrópodos poseen un exoesqueleto (esqueleto externo) que les da proteccion mecanica y soporte sobre el que anclar los músculos que hacen posible el movimiento del animal. El exoesqueleto tiene la desventaja a la hora de incrementar el tamaño corporal ya que por su naturaleza no puede crecer gradualmente y cuando lo hace requiere unas condiciones poco favorables a grandes desarrollos corporales1. EL TUBO NEURONAL: SISTEMA DE ORGANIZACIÓN DEL TEJIDO NERVIOSO En los vertebrados se superan las limitaciones que presentaban los invertebrados para conseguirán mayor desarrollo encefálico:

- Poseen un esqueleto interno que permite un amplio margen en el incremento del tamaño corporal y con ello el incremento de la

1 Para que se incremente el tamaño primero debe desprenderse del esqueleto y construir uno nuevo mayor y en este proceso de cambio el animal es muy vulnerable.


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masa muscular que lo articule y de las estructuras nerviosas que lo gobiernen.

- Salvo los vertebrados no mandibulados (peces como las lampreas) disponen de células especializadas que recubren los axones de sus neuronas con una vaina de mielina lo que hace posible que el impulso nervioso pueda transmitirse a grandes distancias y a más velocidad y con menos coste energético.

Los vertebrados pertenecemos al phylum de los cordados. El carácter diferencial de este phylum es la presencia de notocorda o cuerda dorsal estructura que es fundamental para la inducción del tejido nervioso durante el desarrollo embrionario y para la formación de la columna vertebral. El SNC de los vertebrados (a diferencia de los invertebrados) se sitúa dorsalmente dentro de una cavidad protegida por tejido óseo (el cráneo y la columna vertebral) presenta simetría bilateral y es segmentado. El SNP de los vertebrados tiene una organización ganglionar que recuerda a la del sistema nervioso de invertebrados aunque la organización interna de los ganglios autónomos y sus conexiones con el SNC le diferencian de aquel. El diseño mas básico del SN de vertebrados puede que fuese en su origen similar al del anfioxo (cefalocordado, otro subphylum de los cordados) un tubo neural dorsal en el que habría una polarización rostrocaudal poco marcada y una especialización funcional dorsoventral como la que existe en la medula espinal y el tronco del encéfalo de todos los vertebrados. Los vertebrados actuales filogenéticamente más antiguos son las lampreas (Figura 9.10) en los cuales se mantienen la polarización rostrocaudal con el encéfalo en el extremo rostral subdividido en 3 regiones:

- Encéfalo anterior: telencefalo y diencefalo - Encéfalo medio: mesencefalo - Encéfalo posterior: mielencefalo y metencefalo


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Figura 9.10 Lampreas

El SN de todos los vertebrados mantiene este esquema anatómico, persistiendo a lo largo de toda la filogenia muchos de sus núcleos y circuitos básicos, lo que pone de manifiesto la homologia existente entre las regiones encefálicas de las distintas especies de vertebrados.

1. La Medula Espinal y el Tronco del Encéfalo La organización general de la medula espinal se mantiene bastante constante a lo largo de la filogenia. Existen variaciones derivadas de las adaptaciones de cada grupo animal como su longitud o calibre.


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La parte dorsal del mesencefalo esta formada por el coliculo superior (techo óptico) y el inferior. Estas estructuras están relacionadas en todos los vertebrados con la información visual y auditiva: el coliculo superior con la información visual y el inferior con la auditiva El techo óptico a parte de recibir información visual se convierte en una importante región como centro de iniciación del comportamiento pero es a partir de los reptiles y su definitiva conquista de la tierra firme cuando la importancia del techo óptico como estructura integradora de la información sensorial involucrada en la actividad motora va cediendo terreno a las estructuras telencefálicas, aunque sigue siendo un importante centro de integración sensorial y mantiene funciones motoras. Cajal propuso que la decusación de las fibras motoras era consecuencia del cruce que realizan las fibras del nervio óptico. Las fibras procedentes de la retina decusan en el quiasma óptico para solventar la inversión de 180º que experimenta la imagen al atravesar el cristalino. Esta decusación del quiasma óptico esta destinada a mantener una representación continúa en el techo óptico y congruente con la imagen del campo visual. La recusación de los tractos motores son una adaptación destinada a aumentar la eficacia de las respuestas defensivas que dan los animales cuando se enfrentan a un peligro detectado visualmente, por tanto como la información visual viaja al lado contralateral la respuesta motora debe generarse también en ese lado, dándose de forma mas rápida la respuesta que si estuviese en el otro lado. El cerebelo es, junto a los hemisferios cerebrales, la estructura más variable a lo largo de la filogenia de los vertebrados. En el cerebelo se pueden ir distinguiendo 3 regiones que han ido apareciendo paulatinamente a lo largo de la filogenia:

- El arquicerebelo: es la región que primer aparece en la filogenia y esta íntimamente relacionada con el sistema vestibular y desde un punto de vista funcional se le denomina vestibulocerebelo.

- El paleocerebelo: constituye el siguiente logro filogenetico de los vertebrados y esta constituido por el lobulillo central, la úvula, la pirámide y el vermis, esta division esta relacionada con el control de los movimientos de los musculos axiales del tronco. Su


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relación con la medula espinal esta division filogenética forma parte funcionalmente del espinocerebelo.

- El neocerebelo: es la division más reciente desde un punto de vista filogenetico, formado por los hemisferios cerebrales y el vermis medio. La parte intermedia es funcionalmente espinocerebelar porque esta relacionada con la musculatura axial del tronco y extremidades al igual que el paleocerebelo.

Figura 9.16 El cerebelo

2. El Encéfalo Anterior: el Diencéfalo El hipotálamo esta relacionado con el mantenimiento de la homeostasis, las conductas agonísticas2, la conducta sexual y la conducta reproductora. Entre sus funciones homeostáticas destaca la termorregulación, (propiedad que aparece en la filogenia de los vertebrados solo en las aves y los mamíferos, llamados homeotermos) es uno de los principales hitos de la evolución del SNC de los vertebrados ya que su consecución no solo involucra a diversos núcleos hipotalamicos sino también a 2 Conductas agonistas: conjunto de interacciones sociales en las que median conductas agresivas y de sumisión.


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otras regiones como el tálamo y los hemisferios cerebrales cuya actividad es fundamental para la localización y selección de alimentos energéticamente idóneos. Se puede así mantener la tasa metabólica necesaria para que permanezca constante la temperatura corporal. En el extremo dorsal del Diencéfalo se encuentra el epitalamo. En el se halla el complejo pineal (cuerpo pineal, glándula pineal o epífisis). Esta estructura se relaciona con la conducta de regulación de la temperatura y los ciclos circadianos. El tercer ojo u ojo parietal: (en peces, lampreas, anfibios, lagartos y lagartijas) esta conectado con la epífisis y no existe en el resto de vertebrados. En algunas especies de aves (paloma, pato y aves de corral) mantiene una función fotorreceptora rudimentaria, pero en ellas y en el resto de aves, como ocurre en todos los mamíferos, el cuerpo pineal se transforma en la glándula pineal. La función de la glándula pineal consiste en segregar la hormona melatonina con una ritmicidad circadiana determinada por el ciclo de luz y oscuridad. Figura 9.19 El ojo parietal

El tálamo es una compleja estación interpuesta entre el mundo sensorial y los hemisferios cerebrales. Es la zona del diencéfalo que más cambios presenta en tamaño y complejidad entre las especies de vertebrados.

3. El Encéfalo Anterior: los hemisferios cerebrales


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La expansión de los hemisferios cerebrales es la marca distintiva de la evolución del encéfalo de los vertebrados. Algunas regiones subcorticales de los hemisferios cerebrales como los ganglios basales, también modifican su estructura y función en paralelo a los nuevos repertorios motores que van apareciendo como es el caso de la producción del habla en nuestra especie. La amígdala es otra estructura que sin embargo mantendrá bastante inalterada su función haciéndonos compartir con chimpancés o palomas la alarma ante cualquier cosa que repte u otros peligros y ayudándonos a detectar y responder a las situaciones que comprometan nuestra integridad antes de que la neocorteza, nos haga tomar conciencia del riesgo. También contribuirá a que no se nos olvide cualquier situación que nos haya producido una emoción intensa, buena o mala. La Corteza Cerebral El carácter diferencial del SN de los mamíferos es la neocorteza. La corteza cerebral en reptiles tiene 3 capas y en mamíferos 6. En mamíferos la más reciente adquisición filogenética del Sn es la neocorteza o isocorteza. La organización laminar parece ser la mas sofisticada forma de organización neuronal del SN. Consiste en la distribución tanto de las neuronas como de las fibras aferentes y eferentes en capas separadas, lo que permite procesar la información de forma organizada que llega a las regiones corticales (de la corteza). A ello debe añadirse la organización columnar, columnas definidas en función de que sus neuronas reciban información de la misma zona y sean sensible a estímulos similares. A lo largo de la filogenia las células corticales (neuronas de la corteza cerebral) van adquiriendo mayores grados de especialización como es el caso de las células piramidales, el tipo celular mas característico de la corteza cerebral que solo están en reptiles y mamíferos. Todas estas características hacen que posible que en la neocorteza se creen circuitos locales muy especializados, auténticos a sustratos de


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las conductas más complejas. El tamaño de la neocorteza varía de unas especies a otras. Una última peculiaridad de la neocorteza es su heterogeneidad funcional y regional relacionada con la diversidad de tareas que realiza (sensorial, motora, asociativa) y con la información que procesa (olfativa, gustativa, somatosensorial, auditiva y visual). Ello lleva a que de unas especies a otras el tamaño relativo de las áreas donde se alojan esas funciones varíe en función del nicho ecológico ocupado. Es el caso de la corteza sensorial. El tamaño relativo de la corteza motora primaria no varia mucho en las diferentes especies de mamíferos debido a que esta relacionada con la musculatura corporal y su control. La función principal de las áreas corticales de asociación es integrar la información sensorial recibida por las distintas regiones corticales y subcorticales participando en el inicio y control de los comportamientos elaborados destinados a responder de una forma plástica a los retos ambientales. Se encargan de funciones cognitivas complejas y ocupan mucho tamaño. Figura 9.25 El incremento del volumen encefálico marcado por el desarrollo de las áreas corticales de asociación

FACTORES QUE PUEDEN ESTAR INVOLUCRADOS EN EL DESARROLLO DEL ENCEFALO


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El SN no es necesario para que una especie perdure millones de año pero existe una relación directa entre su grado de desarrollo y las posibilidades de hacer frente de forma eficiente a retos ambientales. Las ventajas que da el SN a los animales son tan importantes que la presión selectiva ha favorecido a lo largo de la filogenia su desarrollo hasta cotas más altas de lo que el tamaño corporal impone.

1. El tamaño del encéfalo Los organismos con circuitos neuronales más numerosos y complejos tienen incrementados sus posibilidades de supervivencia, pero una parte importante de su tamaño depende simplemente del tamaño corporal medio de las especies. Las de mayor tamaño tienen encéfalos más grandes, por el simple hecho de tener un tamaño mayor. Con el fin de poder usar una escala común para comparar el tamaño encefálico de distintas especies y su grado de desarrollo y complejidad, se estableció como unidad de comparación el Cociente de Encefalizacion (CE):

Los valores de CE por encima de la unidad, indican que existe en el encéfalo tejido neural extra dedicado a funciones que no están relacionadas directamente con el tamaño corporal.

2. Relación entre diferentes estrategias evolutivas y el CE Si se observa la naturaleza, vemos que unos animales nacen completamente autónomos mientras que otros dependen enteramente del cuidado parental durante un tiempo variable. Son 2 estrategias:

- La de la autonomía esta asociada a tener muchos hijos con pocos cuidados (selección R)

- La del cuidado parental a pocos hijos y nietos cuidados y muchos cuidados (selección K)

La selección R favorece un rápido desarrollo, temprana madurez sexual, escasa longevidad, por lo que sus episodios reproductivos son pocos. Menos tiempo para aprender y enseñar y por lo tanto usan


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programas conductuales determinados genéticamente. Por lo que no necesitan grandes encéfalos. La selección K favorece desarrollos ontogénicos lentos, cuerpos grandes y longevos y mas episodios reproductivos. Mayor tiempo de interacción entre crías y adultos por lo que hay mas oportunidad de aprendizaje y posibilidad de desarrollo del sustrato neural que lo potencie.

3. Factores fisiológicos relacionados con el CE La termorregulación es la propiedad que permite mantener la temperatura corporal en un valor constante, idóneo para el correcto funcionamiento de la maquinaria metabólica del organismo e independiente dentro de unos márgenes amplios de las fluctuaciones ambientales. De esta forma se palia notablemente el efecto adverso de los cambios de temperatura y se puede tener acceso a nuevos nichos ecológicos. Para mantener constante la temperatura corporal son necesarios cambios en la tasa metabólica y en la frecuencia y calidad de la ingesta, que requieren de un sustrato nervioso específico para la regulación térmica (SNA) y para la localización y recuerdo de fuentes constantes de alimentos y evaluación de su calidad. La presión selectiva debió favorecerlo porque en general los homeotermos tienen encéfalos más grandes que los poiquilotermos. Los animales homeotermos cuando nacen suelen tener mermadas su capacidad termorreguladora y necesitan que los progenitores mantengan su temperatura constante, para lo que cual la homotermia trajo consigo también el desarrollo de un comportamiento parental especifico. Los encéfalos más grandes ofrecen importantes ventajas pero también requieren más tiempo para su desarrollo y más energía para mantenerlos. El encéfalo de un recién nacido es mayor que el de un adulto.

4. Factores ecológicos involucrados en el aumento del CE


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Las especies con CE grandes presentan una mayor ocupación de nuevos nichos ecológicos que las especies con CE pequeños. La vida arborícola es más complicada que la realizada a pie de tierra. En la mayoría de los primates ello ha supuesto una presión selectiva que ha favorecido diferentes adaptaciones. La explotación que cualquier primate realice de su nicho ecológico mejora con la experiencia a lo largo de la vida por lo que la longevidad puede ser una variable involucrada directa o indirectamente con el incremento del encéfalo. Los hábitos alimenticios también ejercen una presión selectiva directa sobre el tamaño del encéfalo. Los primates que comen hojas (folivoros) tienen encéfalos más pequeños que los que comen fruta (frugívoros). Las interacciones ecológicas entre distintas especies también han ejercido una presión selectiva en el desarrollo del encéfalo.

5. Factores etológicos involucrados en el aumento del CE Las interacciones sociales han contribuido mucho al desarrollo del encéfalo. El tamaño del grupo influye en el desarrollo del encéfalo. Grupo más grande, mas desarrollo del encéfalo. El juego también influye en el desarrollo del encéfalo (pone a prueba los circuitos neuronales).

6. La inteligencia La inteligencia es una variable escurridiza por su difícil definición y medición en otras especies. Es la capacidad que permite el grado de flexibilidad mental o conductual necesario para dar soluciones nuevas y adaptativas a cada problema que el medio plantea. En nuestra especie tiene un alto grado de heredabilidad, por lo que esta ligada al éxito reproductivo y su correlación con el desarrollo y tamaño encefálico es alta. EL ENCÉFALO DE LOS HOMÍNIDOS


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Los humanos tenemos el índice de encefalización más alto de todos los mamíferos (>7). Somos primates, catirrinos, hominoideos, taxón3 que compartimos con los llamados simios antropomorfos, monos antropomorfos o antropoides (gibones, orangutanes, gorilas, chimpancés y bonobos o chimpancés pigmeos). Los primeros homínidos surgieron hace 24 millones de años. Los análisis genéticos han puesto de manifiesto que los chimpancés son nuestros parientes más próximos con los que compartimos un antepasado común. La separación entre los chimpancés y la primera de las especies de nuestra línea evolutiva, la de los homínidos, se produjo hace 7 y 4.5 millones de años. Los restos fósiles más antiguos de homínidos pertenecen a diversos géneros entre los que se incluye el género Australopithecus. La especie A.afarensis es la más antigua. Con un encéfalo entre 3 y 4 veces menor vivía en los bosques y su alimentación era muy parecida a los chimpancés salvo que incorporaban raíces a su dieta. Pero la diferencia más notable era su postura bípeda. Sin embargo eso no parece influir directamente sobre el desarrollo del encéfalo. La primera especie de nuestro género (Homo) apareció hace 1,9 a 1.6 millones de años, poco después del inicio de las glaciaciones. Se le puso el nombre de Homo Habilis. La aparición de la especie H. habilis se asocia con la extinción del género Australopithecus y representa la primera de un género, alguna de cuyas especies, distintas a la nuestra, perdurará en la Tierra más de un millón de años. Luego el H.ergaster y luego el H.erectus. La altura de estos homínidos era muy parecida a la nuestra o incluso mayor y su cara era menos simiesca que la de sus antecesores. Los cambios principales en el encéfalo lo presentan en los lóbulos frontales. 1. Cambios en la Ontogenia Los procesos de neotenia son consecuencia de cambios genéticos específicos que propiciaron en nuestros ancestros: 1) Mantenimiento de una configuración craneal juvenil durante más tiempo, permitiendo el desarrollo postnatal del encéfalo. 2) Periodos más largos de proliferación celular llevando a un mayor desarrollo de la neocorteza.

3Taxón: es un grupo de organismos emparentados, que en una clasificación dada han sido agrupados, asignándole al grupo un nombre en latín, una descripción, y un "tipo", de forma que el taxón de una especie es un espécimen o ejemplar concreto.


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3) Mantenimiento durante más tiempo de la capacidad del SN para modificar su funcionamiento y morfología ante cambios ambientales plasticidad neural para dar versatilidad al comportamiento. 2. Cambios en el Sistema Digestivo y la Alimentación La calidad de la dieta es fundamental para el desarrollo de encéfalos grandes. Parece que en el H. ergaster se produce un cambio en su sistema digestivo ligado a una modificación del tipo de dieta (incorporación de proteínas de origen animal). No fue acompañado de una dentición más eficaz. • Creación de Herramientas; Los representantes del género Homo intervenían con anticipación y propósito sobre su medio ambiente para elaborar y utilizar herramientas que les permitían paliar sus carencias anatómicas. La capacidad de creación de herramientas, además de necesitar de una mente capaz de representar el objeto final y anticipar su utilidad, requiere también de unos movimientos precisos controlados por los ganglios basales. 3. Cambios en la Reproducción Las mujeres alcanzan la madurez sexual antes de lo que corresponde a un primate de nuestro peso encefálico. El periodo entre un nacimiento y otro se acorta. Así que la única explicación pasa por considerar que estos homínidos vivían en grupos sociales, como lo hacen otros antropoides. • Interacción Social; parejo a su desarrollo encefálico, se produce una notable disminución del dimorfismo sexual lo que se ha interpretado como una señal de monogamia y con ello la aparición de la estructura familiar que ha perdurado hasta nuestros días. Esta monogamia está ligada a la mayor receptibilidad sexual de la mujer lo que permite una relación sexual continuada en el tiempo no ligada a la reproducción, favoreciendo los vínculos afectivos de la pareja. Así, es más probable que el macho se involucre en el cuidado de los hijos. Se cree que estos cambios conductuales en el hombre fueron asociados a cambios en los niveles de determinadas hormonas (oxitocina y arginina-vasopresina) relacionadas con el comportamiento parental. 4. Interacción social En una vida en grupo todas las habilidades correlacionan con la aptitud inclusiva, de ahí que la selección natural ejerza una presión selectiva que tienda a mejorarlas y pasa por el desarrollo de áreas


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corticales (por ejemplo la corteza cingulada anterior y parte del lóbulo frontal, que intervienen en el autocontrol y la conciencia social, dos habilidades fundamentales para sacar adelante nuestros genes). 5. El Lenguaje La interacción social lleva implícita la comunicación, y el lenguaje es un instrumento imprescindible para ella. Las asimetrías corticales asociadas con el lenguaje se encuentran ya, aunque en menor medida, en gorilas y chimpancés, lo cual indica que el sustrato neural del lenguaje es herencia de un antecesor común de los antropoides y los humanos. No sabemos si los individuos del género Homo hablaban o no, pero sí parece que la reorganización encefálica detectada en esta especie afectó al área de Broca. Sin embargo, el análisis del canal por el que sale el nervio hipogloso del cráneo ha puesto de manifiesto que ese canal no adquiere las dimensiones que presenta en nuestra especie hasta hace tan solo 300.000 años. Por otro lado, los datos también parecen indicar que los individuos del género Homo no tenían adecuado control del diafragma y los músculos torácicos requerido para la producción del lenguaje. Todo ello indica que es poco probable que esos homínidos dispusieran de un lenguaje similar al nuestro. 6. La Cultura El lenguaje está estrechamente asociado a ese otro tipo de herencia no genética que llamamos cultura y que recoge todo lo que la experiencia, la observación, el arte y la tecnología han ido enseñando y aportando a la humanidad a lo largo de los poco más de 100.000 años de existencia de nuestra especie. La cultura ha creado un entramado social complejo. Aquí es importante señalar el papel de la educación.

TEMA 10: BASES DE LA COMUNICACIÓN NEURONAL Psicobiología

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TEMA 10: BASES DE LA COMUNICACIÓN NEURONAL 1ª PARTE: El potencial eléctrico de las membranas neuronales. La información procedente del medio ambiente, las órdenes y cualquier otro tipo de información son “traducidas” a un código usado por las neuronas para comunicarse entre sí y con otras células del organismo. Este código nervioso está basado en 2 tipos de señales:

- Señales eléctricas: se originan en las dendritas y en el soma (especializados en la recepción de información) y otras en el cono axónico siendo conducidas a lo largo del axón hasta los botones terminales.

- Señales químicas: actúan como mediadoras en la transmisión de información a otras neuronas y células del organismo.

Las neuronas se comunican básicamente de 2 formas:

- Sinapsis eléctricas - Sinapsis químicas

EL POTENCIAL ELÉCTRICO DE LAS MEMBRANAS Todas las células (incluidas las neuronas) mantienen a través de sus membranas una diferencia de potencial eléctrico entre el interior y el exterior celular y sobre todo en el caso de las neuronas es fundamental para que la transmisión de información se produzca. Esta diferencia de potencial o de carga eléctrica se debe a la diferente distribución de moléculas existentes a ambos lados de la membrana celular cada una de estas moléculas presenta una carga eléctrica (ion) que puede ser:

- positiva (catión) - negativa (anión)

La distribución de estas moléculas cargadas eléctricamente determinará la cantidad de cargas positivas y negativas que se encuentran situadas a ambos lados de la membrana.


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La diferencia de potencial no se produciría si las cargas eléctricas del ambos lados estuvieran compensadas (que cada lado tuviese igual cantidad de cargas positivas y negativas) Al no existir esa compensación de cargas se establece dicha diferencia de potencial entre ambos lados de la membrana denominado potencial de membrana y representa la carga eléctrica o voltaje que se genera a través de esa membrana (Vm: voltaje de membrana), como consecuencia de la diferente distribución de cargas eléctricas a ambos lados de la misma. Cuanto mayor es la diferencia de potencial entre el interior y el exterior, mayor carga eléctrica presenta la membrana. En la distribución de las cargas eléctricas a ambos lados de la membrana se deben a los movimientos que experimentan diversos iones a través de la membrana hacia el interior y/o el exterior celular al verse afectados por 2 fuerzas:

- una de carácter químico que es la difusión - otra de carácter eléctrico que actúa en función de la carga eléctrica

del ion.

Fuerza de difusión: determina el movimiento de las partículas desde las regiones de mayor concentración hacia las regiones de menor concentración denominado movimiento a favor de gradiente. Fuerza eléctrica o presión electrostática: ejerce una fuerza de repulsión entre partículas con la misma carga eléctrica y una fuerza de atracción entre cargas eléctricas de distinto signo.

El movimiento de una partícula a través de la membrana se puede ver afectado:


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- Por un lado tanto por la fuerza eléctrica como por la química y se diría que depende del gradiente electroquímico.

- Por otro por la permeabilidad de la membrana a los diferentes iones/partículas, si la membrana no fuese permeable a los iones, éstos no podrían atravesarla a pesar de que el gradiente electroquímico les impulsara.

Canales iónicos: (proteínas especializadas) forman canales en la membrana que permiten el paso de iones a través de ella. La permeabilidad de la membrana aun determinado ion depende del número de canales iónicos abiertos que permiten el paso de ese ion a través de ella. Bombas iónicas: (proteínas transportadoras insertadas en la membrana que influyen también en el movimiento de los iones a través de ella) transportan estas moléculas entre ambos lados de la membrana contra el gradiente de concentración, este tipo de transporte se llama transporte activo, lo que con lleva un gasto de energía que es proporcionada por la molécula de ATP (adenosín-trifosfato) Potencial de reposo: es el potencial de membrana de la neurona cuando ésta se encuentra inactiva, en reposo. Potencial de acción o impulso nervioso: (señal eléctrica básica que representa la transmisión de información en el SN) es el potencial de membrana de la neurona cuando ésta se encuentra activada y responde generando una señal eléctrica en su axón que es conducida hasta los botones terminales. Excitabilidad: capacidad de las células para responder mediante este tipo de señales eléctricas, propiedad común de las neuronas pero también de otras células como las cardiacas o musculares. EL POTENCIAL DE REPOSO En estado de repeso las neuronas presentan una diferencia de potencial a través de sus membranas de aproximadamente 60-70 mV (milivoltios) Este potencial refleja una desigualdad de la carga eléctrica a ambos lados de la membrana concentrándose:

- un exceso de cargas negativas en el interior celular - un exceso de cargas positivas en el exterior celular


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Por ello se dice que el potencial de reposo es negativo y se sitúa entre -60 y -70 mV.

Diferencias en las concentraciones de iones entre el interior y el exterior celular en estado de reposo

Explicación del cutre-esquema:

- El catión que se encuentra en mayor concentración en el interior celular es el potasio (K+) mientras que en el exterior el ion positivo en mayor concentración es el sodio (Na+).

- Los aniones más abundantes en el interior celular son moléculas proteicas orgánicas (A-) mientras que en el exterior celular es más abundante el cloro (CI-).

- Hay una mayor concentración de iones K+ en el interior respecto al exterior mientras que el Na+ y el CI- están más concentrados en el exterior.

Al existir diferentes concentraciones de iones dentro y fuera de la célula, estos tienden a moverse por un lado a través de la fuerza eléctrica y por otro a través de la fuerza de difusión (explicado más arriba lo que son las diferentes fuerzas)


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Existen diferencias en la permeabilidad de la membrana neuronal en estado de reposo a los distintos iones presentes en el interior y exterior celular.

Explicación del 2º cutre-esquemilla: - En estado de reposo la membrana es mucho más permeable al K+

que al Na+ (aunque no significa que sea totalmente permeable al K+)

- El grado de permeabilidad al CI- es intermedio respecto a los cationes mencionados (K+ y Na+)

- La membrana es impermeable a los aniones orgánicos intracelulares (A-) (estos siempre permanecen en el interior celular)

La principal corriente iónica que se produce en estado de reposo se debe al movimiento de los iones K+ debido a que en estado de reposo la membrana es más permeable al K+ que a otros iones. El catión K+ es empujado hacia el exterior celular a favor del gradiente de concentración (debido a que está más concentrado en el interior celular que en el exterior K+ mayúscula del cutre-esquema 1) Consecuencia: - Cada ion K+ que abandona la célula deja en el interior una carga negativa de más (ya no es equilibrada por la carga positiva del K+ que ha salido) y añade una carga positiva fuera de la neurona. - Al mismo tiempo que cada ion K+ deja la célula y el interior celular se vuelve más negativo, la fuerza eléctrica empuja a los mismo iones K+ de nuevo hacia dentro (las cargas negativas en exceso del interior atraen a las cargas positivas del exterior) - La tendencia a salir del K+ por difusión es contrarrestada por su tendencia a entrar empujado por la fuerza electrostática dándose una situación de equilibrio. - El resultado final es la existencia de una diferencia de potencial eléctrico entre el exterior y el interior celular.


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1. Bombas iónicas para el mantenimiento de las diferencias en las concentraciones de iones entre ambos lados de la membrana La membrana en estado de reposo es prácticamente impermeable al Na+ pero sin embargo, algunos iones Na+ cruzan la membrana acumulándose progresivamente dentro de la célula. La entrada de estas cargas positivas puede ser equilibrada mediante la salida de otras cargas positivas, como los iones K+ a los que la membrana es permeable. Las diferencias en las concentraciones de ambos iones entre el interior y el exterior celular desaparecerían con el tiempo, por el movimiento de los iones K+ hacia el exterior celular y de los iones Na+ hacia el interior celular la eliminación de esta diferenciación daría como resultado la eliminación de la diferencia de potencial en el interior y exterior por lo que la membrana neuronal sería incapaz de generar señales eléctricas y transmitir información. La diferencia de de potencial se mantiene gracias a un mecanismo que se encarga de restablecer las diferencias de concentración entre ambos lados de la misma, este mecanismos está constituido por las bombas iónicas. Figura 10.5

Bomba de sodio-potasio o ATPasa Na+/K+ o bombas electrogénicas (Figura 10.5): contribuyen a la creación de una diferencia de potencial a ambos lados de la membrana al expulsar al exterior 3 Na+ cargas positivas e impulsar hacia el interior únicamente 2 K+ por lo que queda en el interior una carga negativa sin equilibrar quedando así en el interior un exceso de cargas negativas.


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POTENCIAL DE ACCIÓN Hiperpolarización: El potencial de membrana puede volverse más negativo y adoptar un valor de por ejemplo -80 o -90 mV produciéndose una mayor diferencia en la distribución de las cargas eléctricas entre el interior y el exterior celular. La Hiperpolarización hace que la neurona se vuelva todavía más inactiva y sea más difícil que pueda responder y transmitir información. Despolarización: (lo contrario a lo anterior) la diferencia de potencial entre el interior y el exterior celular disminuya haciendo que el interior sea menos negativo y adopte valores de por ejemplo -50 o-20 mV. La despolarización hace que aumente la probabilidad de que la neurona responda y pueda transmitir información, si se da este caso el potencial de membrana adopta un valor diferente al de potencial de reposo llamándose potencial de acción o impulso nervioso. El potencial de acción:

- se origina en el cono axónico (segmento del axón que se encuentra próximo al soma).

- es una rápida inversión del potencial de membrana de forma que éste adopta un valor positivo de aproximadamente -50mV frente al valor negativo del potencial de reposo (Figura 10.6)


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Para que se produzca la rápida inversión del potencial de membrana es necesario que se dé una despolarización inicial de una magnitud determinada, una magnitud de -55 mV así el potencial cambia súbitamente de forma que el interior de la neurona se vuelve positivo y el exterior negativo lo que indica que las cargas eléctricas se han distribuido de forma inversa respecto a la situación de reposo. La magnitud de la despolarización es suficiente para que el potencial de membrana alcance el llamado umbral de excitación o potencial umbral que es el valor del potencial de membrana a partir del cual se dispara el potencial de acción. Ley del todo o nada: el potencial de acción se produce si la despolarización es suficiente, si no, no se produce. Si se produce siempre conserva el mismo valor sin aumentar ni disminuir. Figura 10.6

En la figura puede verse la fase de despolarización o fase ascendente que es cuando se produce la despolarización y rápida inversión del potencial de membrana hasta adoptar un valor positivo de aprox. +50mV tiene lugar aprox. en 1 milisegundo. Tras este breve periodo se da la fase de repolarización o fase descendente donde decae rápidamente, de forma que aprox. otro milisegundo después, la diferencia de potencial se sitúa nuevamente en un valor negativo de aprox. -090mV retornando posteriormente al valor del potencial de reposo de -70mV.


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Estos rápidos y súbitos cambios en el potencial de membrana respecto al potencial de reposo son los que constituyen un potencial de acción. ¿A qué pueden deberse estos cambios tan rápidos en la diferencia de potencial a través de la membrana neuronal? Con el inicio de la despolarización la permeabilidad de la membrana a los iones Na+ aumenta, haciendo que pasen al interior celular más iones Na+ de los que entran en situación de reposo. Esta mayor permeabilidad de la membrana neuronal a la entrada de Na+ durante la fase ascendente del potencial de acción se debe a la apertura de canales de Na+ que permanecían cerrados en estado de reposo. Canales de Na+ dependientes de voltaje: se abren y se cierran según los cambios que experimenta el potencial de membrana. Estos canales son sensibles a los cambios de voltaje a los cambios que experimenta el potencial de membrana y su apertura se da como consecuencia de que la despolarización inicial alcanza una magnitud necesaria para que el potencial de membrana llegue al umbral de excitación -55mV. Además de la permeabilidad de la membrana a los iones Na+ en la fase ascendente del potencial de acción se produce un cambio en la permeabilidad a los iones K+ por la apertura de canales de K+. Canales de K+ dependientes de voltaje: también responden a cambios en el potencial de membrana. Difieren de los de Na+ en:

- el tiempo de apertura y/o cierre desde el inicio de la despolarización.

- que los canales de K+ dependientes de voltaje requieren para su apertura una mayor despolarización que los canales de Na+.

- que su apertura se produces después de la apertura de los de Na+.

La apertura de canales de K+ permite una mayor salida de iones K+ hacia el exterior celular de la que se producía en situación de reposo.


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Durante la fase ascendente - se da una entrada masiva de Na+ y una salida de K+ por la

apertura de ambos canales dependientes de voltaje. - La cantidad de iones Na+ que entran es mucho mayor que la de

iones K+ que salen. - El cambio en la proporción de iones que entran y salen se da

cuando el potencial de membrana alcanza el umbral de excitación.

- Si la despolarización inicial no es suficiente para que el potencial de membrana alcance el umbral, los iones Na+ pueden entrar tan rápidamente como los iones K+ salir. Por lo que el potencial de acción no se produce.

Figura 10.7: Estado de los canales de Na+ y K+ dependientes de voltaje durante el potencial de acción.


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Explicación de la figura 10.7: 1. En estado de reposo, tanto los canales de Na+ como los de K+

permanecen cerrados. 2. Cuando la despolarización inicial permite que el potencial de

membrana alcance el umbral de excitación se abren los canales de Na+.

3. Posteriormente, se abren también los canales de K+ que requieren una magnitud mayor de despolarización que los de Na+.

4. Cuando se ha producido la rápida inversión del potencial de membrana y éste adopta un valor positivo de aprox. +50mV los canales de Na+ pasan al estado de inactivación mientras que los de K+ permanecen abiertos.

5. Posteriormente, los canales de Na+ pasan del estado de inactivación al estado de cerrados, permaneciendo abiertos todavía los de K+.

6. Durante un breve periodo, el potencial de membrana se encuentra hiperpolarizado.

7. Vuelve poco tiempo después al valor característico del potencial de reposo cerrándose finalmente los canales de K+.

IMPORTANTE: Cuando los canales están cerrados pueden abrirse pero cuando están inactivos no pueden abrirse. Al comienzo de la fase descendiente los canales de Na+ están inactivos y no pueden ser abiertos y la neurona no puede generar un nuevo potencial de acción para responder a una nueva información, por lo que se dice que la membrana se encuentra en periodo refractario absoluto. Al final de la fase descendiente se produce una caída brutal hasta los -90mV antes de llegar al valor del potencial de reposo. Durante este breve periodo en que el potencial está hiperpolarizado la neurona es capaz de responder a una nueva información pero necesita una mayor magnitud de despolarización para generar el potencial de acción (unos 35mV desde donde estamos los -90 hasta los -55), por ello este periodo recibe el nombre de periodo refractario relativo.


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1. Conductancias iónicas durante el potencial de acción Conductancia: concepto que se emplea para describir el flujo de iones a través de la membrana. Depende no solo de la permeabilidad de la membrana sino también del número y de que éstos puedan moverse a través de la membrana. Figura 10.8 Conductancias para los iones Na+ y k+ durante el potencial de acción.

Durante el transcurso de un potencial de acción se producen cambios en las conductancias para los iones Na+ y K+ (Figura 10.8):

- El aumento de la conductancia para los iones Na+ tiene lugar durante la fase de despolarización, siendo máxima aprox. 1 msg después del comienzo del potencial de acción.

- La conductancia para los iones K+ empieza a aumentar también en la fase de despolarización pero con un cierto retraso respecto a la conductancia para lo Siones Na+, siendo máxima durante la fase de repolarización.

- Cuando la conductancia para los iones K+ se restablece al nivel previo al potencial de acción, el potencial de membrana adopta el valor del potencial de reposo.

La conductancia para el ion CI- no cambia durante la generación de un potencial de acción por lo que su conductancia no afecta a la producción del potencial de acción.


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LA PROPAGACIÓN DEL POTENCIAL DE ACCIÓN Propagación del potencial de acción: consiste en la conducción de esta señal eléctrica desde el cono axónico donde se origina hasta los pies terminales. El potencial de acción a diferencia de otras señales eléctrica se regenera a lo largo del axón y esta capacidad de regeneración es independiente de la longitud del axón por lo que se dice que se propaga de forma activa. La propagación del potencial de acción sólo se realiza en una dirección, desde el soma neuronal hasta el terminal presináptico se debe a que tras el disparo de un potencial de acción existe un periodo en el que la membrana neuronal es incapaz de responder con un nuevo potencial de accion (periodo refractario) por lo que solo puede ir hacia delante y nunca hacia atrás. La refractariedad de la zona de membrana donde se ha producido el potencial de acción se debe a:

- La inactivación de los canales de Na+ dependientes de voltaje - La hiperpolarización tras el disparo del potencial de acción

Estos 2 fenómenos son los responsables de que el potencial de acción se genere sólo hacia delante desde el cono axónico hasta los botones terminales.


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Figura 10.10 Corrientes iónicas durante la propagación del potencial de acción en axones no mielinizados.

1. La conducción saltatoria La forma en la que se propaga el potencial de acción presenta importantes diferencias en función de que el axón sea un axón mielinizado o no. En los axones mielínicos o mielinizados, el potencial de acción no se regenera punto por punto de la membrana axonal como ocurre en los axones amielínicos, sino que el potencial de acción sólo se produce en los nódulos de ranvier (zonas del axón que quedan al descubierto sin mielina)


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El potencial de acción “salta” de nódulo a nódulo, por lo que la propagación del potencial de acción en este tipo de axones recibe el nombre de conducción saltatoria. A diferencia de los potenciales de acción, la magnitud de la despolarización que se da en el segmento mielinizado disminuye con la distancia y tiende a desaparecer por lo que se dice que son potenciales decrecientes. Este tipo de señales no se regeneran sino que cada una de ellas se circunscribe al lugar en el que se origina (a un determinado segmento mielinizado) razón por la que también se denominan potenciales locales. Frente a los potenciales de acción que se propagan de forma activa, estos potenciales decrecientes se propagan o conducen de forma pasiva, según las propiedad del axón (longitud, diámetro…) A pesar de que estos potenciales locales disminuyen su magnitud con la distancia, la despolarización que llega al siguiente nódulo de ranvier es suficiente para que el potencial de membrana alcance el umbral de excitación y pueda disparar el potencial de acción. Ventajas de la conducción saltatoria en los axones mielinizados:

- La velocidad de conducción del potencial de acción aumenta ya que éste sólo se genera en los nódulos y no a lo largo de toda la membrana axonal como en los axones amielínicos la mayor velocidad de conducción implica una mayor rapidez de respuesta.

- El ahorro de energía ya que el potencial de acción sólo se regenera en los nódulos, solamente en esa zona activa de la membrana hay canales iónicos de Na+ y K+ dependientes de voltaje.


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Figura 10.12 Corrientes iónicas durante la propagación del potencial de acción en axones mielinizados.


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TEMA 10: BASES DE LA COMUNICACIÓN NEURONAL 2ª PARTE COMUNICACIÓN ENTRE NEURONAS: LAS SINAPSIS La transmisión de información se produce a través de contactos funcionales a los que se denomina sinapsis. En las sinapsis químicas la comunicación entre neuronas se lleva a cabo mediante la liberación de un neurotransmisor desde los terminales o botones presinapticos. La membrana celular de estos botones terminales es la membrana presinaptica y las neuronas que liberan estas sustancias se denominan neuronas presinapticas que son las que en un determinado momento transmiten la información a otras neuronas. Las neuronas que en ese momento reciben la información se denominan neuronas postsinapticas y sus membranas, membranas postsinapticas. Pueden convertirse en neuronas presinapticas si a su vez transmiten información a otras. El espacio extracelular que separa físicamente a las 2 neuronas que establecen contacto se denomina espacio o hendidura sináptica. En las sinapsis eléctricas las 2 células entran en estrecho contacto, de forma que los canales iónicos de sus membranas presináptica y postsináptica se juntan y permiten el paso de iones y otras moléculas pequeñas de una célula a otra. Las zonas de contacto se llaman uniones hendidas. Figura 10.14 Sinapsis eléctricas: uniones hendidas


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En la mayoría de las sinapsis eléctricas puede haber un flujo bidireccional de la información de forma que los cambios eléctricos que se dan en cualquiera de ellas afecta a la otra. En otros casos la información es transmitida únicamente en una dirección, de modo que los cambios eléctricos que se dan en una de ella influyen sobre la otra, pero no a la inversa. Una ventaja obvia de las sinapsis eléctricas es que no hay retraso en la transmisión de información. Las sinapsis eléctricas no sufren modificaciones de sus señales en respuesta a eventos que incidan sobre ellas, es una importante diferencia respecto a las sinapsis químicas, en las que las posibilidades de modulación de los mensajes son considerablemente mayores. Las neuronas también se comunican entre si mediante otro tipo de transmisión que se denomina transmisión por volumen la transmisión de información se lleva a cabo gracias a la difusión de las sustancias neuroactivas en el volumen del fluido extracelular, alcanzando grupos de neuronas mas alejadas. Los factores implicados en la difusión de las sustancias neuroactivas mediante el fluido extracelular no solo parecen ser diferentes en cada neurona, sino también entre diferentes regiones del SN central. Estos factores de difusión también parecen modificarse en distintos estados fisiológicos, como ocurre durante el desarrollo, la lactancia y el envejecimiento. También en diversos estados patológicos se producen cambios en la capacidad de difusión de diversos compuestos a través del fluido extracelular. LAS SINAPSIS QUIMICAS Los neurotransmisores que se liberan durante la transmisión de información por medio de sinapsis químicas se encuentran almacenados en los botones terminales presinapticos en unos pequeños sacos de membrana que reciben el nombre de vesículas sinápticas. En el sitio donde se produce la liberación las vesículas sinápticas se disponen muy agrupadas cerca de la membrana presinaptica, constituyendo las denominadas zonas activas. Cuando los neurotransmisores son liberados se difunden a través del espacio o hendidura sináptica e interaccionan con proteínas especificas situadas en la membrana postsináptica que reciben el nombre de receptores postsinápticos.


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1. Mecanismos de la Transmisión Sináptica Química En la transmisión sináptica química tienen lugar 4 procesos o mecanismos principales

- En primer lugar para que un neurotransmisor pueda ser liberado desde los botones terminales, es fundamental que la neurona disponga de los mecanismos que permiten su síntesis y almacenamiento en las vesículas sinápticas.

En algunos casos la síntesis se realiza en el soma neuronal desde donde es transportado hasta los botones terminales recorriendo todo el axon. En otros casos, el paso final de sus síntesis o su síntesis completa se lleva a cabo en los propios botones terminales.

- En segundo lugar el segundo mecanismo de la transmisión sináptica consiste en la liberación del neurotransmisor. Para que esta liberación se de es fundamental que el potencial de acción llegue a los terminales presinapticos, que presentan, al igual que el axon, canales dependientes de voltaje, aunque en este caso los canales dejan pasar iones de calcio (Ca2+).

Cuando el potencial de acción alcanza los botones terminales se produce la despolarización de la membrana del terminal y la apertura de los canales de calcio. Los iones Ca2+ pasan al interior del terminal empujados por el gradiente electroquímico, al estar mas concentrados en el exterior celular y presenta el interior un exceso de cargas negativas1. Una vez dentro de la neurona el calcio facilita la unión de las vesículas sinápticas a las zonas densas de la membrana presinaptica, lo que conduce a la fusión de las vesículas con la membrana del terminal para liberar su contenido a la hendidura sináptica.

- En tercer lugar este proceso esta constituido por la interacción del neurotransmisor con sus receptores en la membrana postsináptica. El neurotransmisor se difunde rápidamente a través de la hendidura sináptica, uniéndose a unas proteínas de la membrana postsináptica: los receptores postsinápticos.

La unión es específica, de forma que cada molécula de neurotransmisor encaja perfectamente con su receptor, existiendo receptores diferentes para cada uno de los neurotransmisores. 1 La entrada de calcio, en los terminales nerviosos se da fundamentalmente a través de 3 tipos de canales iónicos dependientes de voltaje:

- El canal tipo L que permanece abierto todo el tiempo que dura la despolarización, capacidad de inactivación baja

- Canales tipo N y P se inactivan mas rápidamente una vez producida la despolarización y cuya participación en la liberación de los neurotransmisores parece ser mas importante que la del canal L.


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La unión puede originar diferentes efectos en la neurona postsináptica como es el cambio en la permeabilidad de la membrana postsináptica debido a la apertura de canales iónicos y por el paso de iones a través de ellos. Estos canales iónicos se abren en respuesta a los neurotransmisores y son diferentes de los canales iónicos dependientes de voltaje. Los canales iónicos controlados por neurotransmisores no son dependiente de voltaje puesto que no se ven afectados por los cambios en el voltaje de la membrana, solo responden cuando el neurotransmisor se une a sus receptores. Ambos canales se caracterizan por abrirse de un modo todo o nada.

- En cuarto lugar se da la inactivación del neurotransmisor que hace que la transmisión sináptica finalice. Existen 2 mecanismos mediante los que los neurotransmisores son inactivados:

1. Uno es el de inactivación enzimática: se da por enzimas

específicas que degradan o metabolizan cada neurotransmisor. 2. Otro es el de recaptación: se da por proteínas transportadoras

insertadas en la membrana del propio botón terminal que libera el neurotransmisor. Parte del neurotransmisor liberado a la hendidura sináptica es transportado al interior del botón terminal para ser reutilizado, es transportado junto con los iones Na+ gracias al gradiente de concentración. Existen proteínas transportadoras específicas para cada neurotransmisor.

Figura 10.15 Mecanismos principales que intervienen en la comunicación sináptica química.


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2. Clases de Sinapsis Químicas Las sinapsis químicas pueden clasificarse según: A. Las zonas de las neuronas que establecen contacto pueden ser:

- Sinapsis axodendriticas: aquellas que se establecen entre el axon de una neurona y las dendritas de otras, es el mas común en el SN.

- Sinapsis axosomaticas: el contacto sináptico puede establecerse también entre los axones de una neurona y el soma o cuerpo neuronal de otras.

- Sinapsis dentrodendríticas: son menos habituales y se establecen entre las dendritas de una neurona y las dendritas de otras.

- Sinapsis axoaxonicas: son contactos sinápticos entre los botones terminales de diferentes neuronas.

Figura 10.16 Sinapsis según las zonas de las neuronas que establecen el contacto.

B. Su morfología pueden ser:

- Sinapsis tipo I: se produce la activación de la neurona postsináptica y son fundamentalmente sinapsis axodendriticas. Espacio sináptico amplio. Las estructuras están regularmente distribuidas.

- Sinapsis tipo II: se produce la inactivación de la neurona postsináptica y constituyen principalmente los contactos que se establecen en las sinapsis axosomaticas. Espacio sináptico menos amplio. Estructuras densas a lo largo de las membranas pre y postsináptica agrupándose en sitios concretos.

La diferencia mas importante ente ambas es la morfología de las vesículas sinápticas. Se piensa que esta diferente morfología puede estar relacionada con el tipo de neurotransmisor liberado.


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Figura 10.17 Sinapsis según su morfología

- Sinapsis axoaxonicas: inhibición y facilitación presinaptica En algunas ocasiones un terminal presinaptico establece sinapsis sobre un segundo terminal presinaptico. Estas interacciones ejercen un efecto inhibidor de la actividad de este segundo terminal a nivel presinaptico, este tipo de interacciones reciben el nombre de inhibiciones presinapticas. Explicación: si se activa solamente el terminal 1 se produce una despolarización de la membrana de la neurona 3. Si se activa solamente el terminal 2 no se produce ningún tipo de cambio de potencial en esa neurona. Por el contrario si se activan simultáneamente los 2 terminales, se observa que la magnitud de la despolarización producida en la neurona es más pequeña que la producida en respuesta a la activación únicamente del terminal 1. ¿A que se debe este fenómeno? El terminal 2 libera un neurotransmisor inhibidor sobre el terminal1, disminuyendo la cantidad de neurotransmisor liberado por ese terminal y la consiguiente atenuación del efecto que produce en la neurona postsináptica. El fenómeno contrario al de la inhibición presinaptica recibe el nombre de facilitación presinaptica.


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Explicación: Se produce cuando el terminal 2 ejerce un efecto facilitador sobre el terminal 1, de forma que aumenta la entrada de iones Ca2+ al terminal. Se da la liberación de una mayor cantidad de neurotransmisor y una potenciación del efecto que el terminal 1 produce sobre la neurona postsináptica. POTENCIALES POSTSINAPTICOS EXCITADORES E INHIBIDORES. LA INTEGRACION NEURAL. La apertura de estos canales iónicos permite el paso de corrientes iónicas a través de la membrana, produciendo cambios en el potencial de la membrana postsináptica. Estos cambios de potencial reciben el nombre de potenciales postsinápticos y pueden se de diferente naturaleza. Si el potencial de membrana se vuelve menos negativo (se produce una despolarización) estos potencial se denominan potenciales excitadores postsinápticos (PEPs). Los neurotransmisores que producen este tipo de cambios del potencial de membrana son excitadores y las sinapsis donde se liberan estos neurotransmisores son sinapsis excitadoras. Los PEPs NO garantizan el disparo de un potencial de acción, sino que únicamente aumentan la probabilidad de que este se produzca. Si el potencial de la membrana postsináptica se vuelve mas negativo, (se produce una hiperpolarización) los cambios de potencial reciben el nombre de potenciales inhibidores postsinápticos (PIPs). Los neurotransmisores que producen este tipo de cambios del potencial de membrana ejercen un efecto inhibidor y las sinapsis en las que son liberados son sinapsis inhibidoras. Los PIPs NO evitan obligatoriamente la producción de un potencial de acción, sino que únicamente disminuyen la probabilidad de que este se produzca. El hecho de que se produzca un PEPs o un PIPs en la membrana postsináptica depende del tipo de canales iónicos que se abren en respuesta a la activación del receptor:

- si la unión del neurotransmisor a sus receptores desencadena la apertura de canales para iones Na+ o iones Ca2+, los potenciales postsinápticos serán despolarizaciones (PEPs) de la membrana.

- por el contrario si los canales iónicos permiten el paso de iones

K+ o iones CI-, se producirán hiperpolarizaciones de la membrana postsináptica (PIPs)


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Un mismo neurotransmisor puede producir PEPs o PIPs en la membrana postsináptica dependiendo de los receptores a los que se une y de los canales iónicos que se abran. En los canales iónicos controlados por neurotransmisores la activación del receptor conlleva la apertura directa del canal, dado que este, forma parte del propio receptor. Este tipo de receptores se llaman receptores ionotrópicos. La activación del receptor pone en marcha una serie de mecanismos que pueden abrir canales iónicos de forma indirecta mediante cambios bioquímicos en el metabolismo intracelular de la neurona postsináptica, este tipo de receptores reciben el nombre de receptores metabotrópicos y sus efectos están mediados por unas proteínas insertadas en la membrana celular denominadas proteínas G. Estas proteínas activan el metabolismo celular desencadenando una serie de reacciones bioquímicas en las que se producen moléculas mediadoras que reciben el nombre de segundos mensajeros (el primer mensajero es el neurotransmisor). Uno de los segundos mensajeros mas conocidos es el AMPc (adenosin-monofosfato-cíclico), que puede desencadenar diversos efectos a nivel celular. Otros sistemas de segundos mensajeros bien conocidos son el ion Ca2+, el GMPc (guanosina-monofosfato-cíclico), el inositol fosfato (IP3), el diacilglicerol (DG) y el acido araquidónico. Los otros segundos mensajeros mencionados, al igual que el AMPC, requieren la activación previa de las proteínas G, que a su vez activan las enzimas implicadas en su síntesis. Existen también receptores presinapticos llamados autorreceptores que están asociados igualmente a proteínas G y que se encuentran en el terminal presinaptico. La unión de los neurotransmisores a estos receptores se realiza después de que los neurotransmisores hayan actuado sobre la neurona postsináptica. La unión a los autorreceptores es un mecanismo de control de la síntesis del neurotransmisor que ha sido liberado. Se sabe que la unión del neurotransmisor a sus receptores presinapticos activa, a través de las proteínas G, a sistemas de segundos mensajeros como el AMPc, el cual interrumpe o inhibe la síntesis del neurotransmisor. Cuando se da un potencial de acción aunque la corriente fluya principalmente hacia el interior celular en cada contacto postsinápticos, también puede fluir hacia fuera de la célula a través de áreas de la membrana que no son canales propiamente dichos pero si zonas donde


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hay canales difusos que participen en la permeabilidad natural que tienen las membranas neuronales a todo tipo de iones. A causa de esta perdida de corriente, aunque los potenciales postsinápticos tienen cierta amplitud en el sitio donde han sido generados, van decayendo progresivamente a medida que se alejan de su punto de origen, por ellos los potenciales son potenciales locales, graduados o decrecientes, porque su magnitud disminuye gradualmente. Este tipo de potenciales se propagan de forma pasiva según las propiedades de cable y aunque su magnitud disminuye según se van propagando por la membrana del soma y de las dendritas, muchos de estos potenciales locales alcanzan finalmente el cono axónico, produciéndose un proceso de integración de todas las señales, tanto excitadoras como inhibidoras, que recibe el nombre de integración neural. En el cono axónico la neurona integra toda la información recibida de otras neuronas para emitir o no una respuesta:

- Si la neurona responde se genera un potencial de acción en el cono axónico que será conducido hasta los botones terminales.

- Si la neurona no responde, no dispara un potencial de acción, es que su potencia de membrana se encuentra hiperpolarizado o no se ha despolarizado lo suficiente para alcanzar el umbral de excitación.

La integración neural consiste en un proceso de sumación de todos los potenciales locales que alcanzan el cono axónico, tanto de potenciales excitadores como inhibidores. Los PEPs despolarizan la membrana, llevan al potencial de membrana por encima del valor del potencial de reposo, mientras que los PIPs hiperpolarizan la membrana, situando el potencial de membrana por debajo del potencial de reposo. Cuando se activan al mismo tiempo las sinapsis excitadoras aparece una despolarización global cuya magnitud es superior a cualquiera de los PEPs por separado. Este hecho se debe a que las despolarizaciones han sufrido un proceso de sumación. Cuando se generan PEPs sucesivos se suman a los anteriores, dando como resultado una magnitud de despolarización mayor que puede alcanzar el umbral de excitación y disparar un potencial de acción. El proceso de sumación tiene lugar simultáneamente en el plano espacial y en el plano temporal se produce una sumación de todos los potenciales locales que llegan al mismo lugar (sumación espacial) y al mismo tiempo (sumación temporal) como es bastante habitual en el SN.


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Lo que ocurre cuando son activadas sinapsis inhibidoras es que los PIPs, al igual que los PEPS, son sumados cuando llegan al mismo tiempo y al mismo lugar en un proceso de sumación temporal y espacial, y cuanto mayor sea la magnitud de la hiperpolarización resultante de la suma, mas hiperpolarizado permanecerá el potencial de membrana del cono axónico, con lo que no podrá dispararse un potencial de acción. Si se activan sinapsis excitadoras e inhibidoras al mismo tiempo, el proceso de sumación temporal y espacial afectara tanto a los PEPs como a los PIPs, de forma que se sumaran los cambios de potencial de membrana del mismo signo y se restaran los cambios de signo contrario los efectos despolarizantes de los PEPs se oponen a los efectos hiperpolarizantes de los PIPs. Se puede dar el caso de que a pesar de la presencia de hiperpolarizaciones, la despolarización resultante del proceso de sumación sea suficiente para que el potencial de membrana alcance el umbral de excitación y pueda dispararse un potencial de acción el resultado neto del proceso de sumación de todas las señales locales que llegan al cono axónico, el que determina si se producirá o no el disparo del potencial de acción. Algunas dendritas pueden generar potenciales de acción, debido a que presentan agrupaciones de canales sensibles a voltaje en determinados puntos de sus membranas. Cuando se produce una despolarización suficiente, la membrana genera un pequeño potencial que sirve como amplificador de la pequeña despolarización resultante de la suma de los potenciales postsinápticos de todas las dendritas. Se cree que esos potencial dendríticos son potenciales de acción producidos por la entrada de Na+ o de Ca2+, y que se generan en sitios estratégicos de neuronas con árboles dendríticos grandes, para asegurar que la información transmitida a través d esas sinapsis ejerce un efecto significativo en la respuesta neuronal. NEUROTRANSMISORES Y NEUROMODULADORES Algunos neurotransmisores abren canales iónicos directamente y otros activan proteínas G. A estos últimos se les llama también neuromoduladores porque modulan la eficacia de los potenciales postsinápticos producidos en los receptores asociados a canales iónicos. No producen directamente potenciales postsinápticos, pero son capaces de regular la mayor o menos actividad de los canales iónicos asociados a receptores ionotrópicos. Esta modulación se realiza mediante la activación de proteínas G, lo que produce una serie de reacciones bioquímicas que pueden conducir indirectamente a la apertura o el cierre de canales iónicos.


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Todos aquellos neurotransmisores que actúen sobre neuronas postsinápticas mediante receptores metabotrópicos deben ser considerados mas apropiadamente como neuromoduladores. La neuromodulación es un mecanismo de gran relevancia en el SN pues permite la amplificación de señales en un momento dado:

- una molécula de neurotransmisor que se une a receptores ligados a canales iónicos abre un solo canal.

- cuando una molécula de un neuromodulador activa a un receptor asociado a proteínas G puede activar indirectamente a muchos canales iónicos distintos de forma simultánea.

Un mismo neurotransmisor puede actuar como neurotransmisor propiamente dicho en unas sinapsis, si se une a receptores con canales iónicos asociados y como neuromodulador en otras, si se une a receptores ligados a proteínas G. Hay diferencias respecto al tiempo de inicio de las acciones de estas sustancias neuroactivas cuando funcionan como neurotransmisores o como neuromoduladores. Los neurotransmisores producen efectos rápidos, mientras que los de los neuromoduladores son más lentos. El efecto de un neurotransmisor es de entre 10 y 100 msg. Por el contrario, los efectos mediados por los neuromoduladores normalmente tardan mas en manifestarse del orden de segundos y su duración puede llegar al orden de minutos, horas o incluso mas. Se piensa que los cambios lentos, a largo plazo, que se producen en la actividad neural están regulados por neuromoduladores. Morfológicamente, las vesículas que contienen neurotransmisores o neuromoduladores son también diferentes. Hay botones terminales donde coexisten dos o más neurotransmisores y a menudo uno de ellos se comporta como un neurotransmisor y el otro como un neuromodulador.

1. Clases de Neurotransmisores y Neuromoduladores - Acetilcolina (ACh) se encuentra tanto en el SN central como en el Sn periférico, es el neurotransmisor de la unión neuromuscular (sinapsis entre neuronas y fibras musculares), de las sinapsis que se establecen en los ganglios del SN autónomo, tanto del SN simpático como del parasimpático, así como de las sinapsis del SN para simpático con sus células diana. Se sintetiza en mayor cantidad en algunos núcleos del encéfalo anterior como los núcleos septales y los núcleos basales de Meynert, desde donde se envían proyecciones a todo el encéfalo.


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Figura 10.20 Distribución de las vías nerviosas colinérgicas.

La acetilcolina se comporta como un neurotransmisor excitador pero también puede ejercer el efecto contrario, un efecto inhibidor. Los receptores a los que se une la acetilcolina se denominan receptores colinérgicos, existiendo 2 subtipos diferentes:

A. los receptores muscarínicos B. los receptores nicotínicos

La caracterización bioquímica de los receptores colinérgicos es que están constituidos por una proteína con 5 subunidades que forman el canal iónico que permite el paso de iones a través de la membrana. - Aminas biogénas pueden distinguirse 2 subclases:

A. Catecolaminas son 3: dopamina, noradrenalina (o norepinefrina) y la adrenalina (o epinefrina).

La Dopamina (DA) se sintetiza fundamentalmente en los cuerpos neuronales del área tegmental ventral y de la sustancia negra, ambas situadas en el tronco del encéfalo. Desde estas regiones se envían proyecciones dopaminérgicas hacia diferentes partes del SN, principalmente hacia el encéfalo anterior. Figura 10.22 Distribución de las vías nerviosas dopaminérgicas.


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La Noradrenalina (NA) se sintetiza principalmente en el locus coeruleus, situado en el tronco del encéfalo, desde donde parten proyecciones noradrenérgicas que se distribuyen ampliamente por todo el encéfalo. Figura 10.23 Distribución de las vías nerviosas noradrenérgicas.

La Adrenalina se sintetiza a partir de la noradrenalina en los botones terminales de las neuronas del SNC y también es sintetizada en la medula adrenal.

B. Serotonina (5-HT) se sintetiza fundamentalmente en los núcleos del rafe del tronco del encéfalo, desde donde se envían proyecciones serotoninérgicas a diversas regiones del SN central y de la medula espinal.

Figura 10.24 Distribución de las vías nerviosas serotoninérgicas.

Se conocen 5 subtipos diferentes de receptores dopaminérgicos, 5 noradrenérgicos y 7 serotoninérgicos. La mayoría de estos receptores son metabotrópicos.


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Se piensa que las aminas biógenas desempeñan una importante función en la regulación de los estados afectivos y de la función cerebral. - Aminoácidos transmisores son los principales neurotransmisores excitadores e inhibidores del SN y participan en la mayoría de las sinapsis del SN, a través de receptores ionotrópicos. Entre los aminoácidos excitadores se encuentran: el glutamato y el aspartato. Entre los inhibidores están: el acido gamma-aminobutírico (GABA) y la glicina. Desde un punto de vista químico, estos 4 aminoácidos son muy parecidos y se sintetizan mediante diferentes reacciones químicas a partir del glutamato. El glutamato, el aspartato y la glicina participan en numerosas funciones celulares, además de ser neurotransmisores y solo el GABA es exclusivamente neurotransmisor. También hay diferentes subtipos de receptores para los aminoácidos transmisores ejemplo: los principales receptores del GABA son los receptores GABA-A y GABA-B y los del glutamato son NMDA (N-metil D-aspartato) y AMPA. La activación de los receptores AMPA y sobre todo del NMDA parece desempeñar una importante función en la mediación de procesos relacionados con la memoria y la muerte neuronal que se da en algunas enfermedades neurodegenerativas como la del Alzheimer. - Los Neuropéptidos están constituidos por cadenas de aminoácidos. Se localizan tanto en el SN como en los tejidos periféricos y pueden comportarse como neurotransmisores y/o neuromoduladores. A este grupo pertenecen las hormonas del sistema neuroendocrino, además de desempeñar funciones muy variadas en el organismo, actúan también como neuromoduladores en el SN. Se almacenan en vesículas y se unen a receptores específicos en las células diana que en la mayoría de los casos están acoplados a proteínas G. En algunos terminales nerviosos de la misma neurona puede predominar mas la liberación de un neurotransmisor, mientras que en otros terminales se produce una mayor liberación del otro neurotransmisor o Neuropéptidos colocalizado con el. Ejemplo: Participan en el control de dolor, en la regulación de la temperatura, del sueño y de la actividad del sistema inmune, en las respuestas del organismos a situaciones estresantes, en la regulación


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de la ingesta de comida y de bebida, de la conducta sexual, así como en procesos complejos como el aprendizaje y la memoria. Existencia en el SNC de los péptidos opioides endógenos que se unen a receptores específicos ampliamente distribuidos por todo el SNC. Existen diversos tipos de receptores opioides que están acoplados a proteínas G: son los denominados receptores mu, delta y kappa. Otro grupo de compuestos usados por las neuronas para comunicarse entre si esta constituido por algunos gases solubles como el oxido nítrico (NO) y el monóxido de carbono (CO). Estos compuestos se producen en las neuronas, aunque no son exclusivos de estas, y en su presencia se estimula la síntesis del segundo mensajero CMPC. El NO y el CO atraviesan las membranas neuronales y se difunden por el espacio extracelular pudiendo alcanzar a grupos de neuronas vecinas y actuar sobre ellas sin que haya receptores definidos en sus membranas, por lo que se les considera mensajeros transcelulares. El NO participa en una gran diversidad de funciones en el organismo, como la dilatación de los vasos sanguíneos cerebrales en las regiones cuyo metabolismo ha sido actividad, el control de los músculos de la pared intestinal o la erección del pene. También participan en los cambios neuroplásticos que subyacen a los procesos de aprendizaje y ha sido relacionado con algunas enfermedades neurodegenerativas. El No es considerado también un segundo mensajero. La existencia del sistema cannabinoide endógeno esta constituido por receptores específicos y por ligandos que se unen a estos receptores. Hay 2 tipos de receptores para cannabinoides que se denominan CB1 y CB2, con una diferente distribución en el organismo:

- Los receptores CB1 se localizan principalmente en el SNC, en los terminales nerviosos periféricos y en diversos órganos internos como los testículos o el corazón.

- Los receptores CB2 en el SNC pero su presencia en el parece estar mas restringida, encontrándose fundamentalmente en las células y tejidos relacionados con el sistema inmune.

El descubrimiento de receptores para cannabinoides sugirió la existencia de ligandos endógenos, conocidos con el nombre de endocannabinoides capaces de unirse a ellos y desencadenar diversas respuestas fisiológicas. El primer ligando endocannabinoide fue la anandamida, un compuesto lipídico que se une de forma preferente a los receptores CB1 y su activación produce entre otros efectos la inhibición de la síntesis del segundo mensajero AMPc.


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Es importante el papel del sistema cannabinoide endógeno en la regulación de la función endocrina, de la ingesta de comida y del balance energético corporal, en la modulación de la nocicepcion, las conductas reproductoras, el estado emocional y en procesos cognitivos como el aprendizaje y la memoria. FARMACOLOGIA DE LA SINAPSIS QUIMICA En la síntesis y el almacenamiento de los neurotransmisores existen diversas sustancias químicas que pueden afectar a estos 2 procesos. Ejemplo en la síntesis: la AMPT interfiere la síntesis de catecolaminas al unirse a la enzima tirosinahidroxilasa que convierte la sustancia precursora tirosina en L-DOPA que es un paso intermedio en la producción de DA y NA. Ejemplo en el almacenamiento: algunas sustancias psicoactivas, como la reserpina, impiden el almacenamiento de aminas e las vesículas, con lo que estos neurotransmisores quedan desprotegido dentro de los terminales nerviosos y expuestos a la degradación por parte de las enzimas allí presentes (como las monoaminooxidasas, MAO). Los neurotransmisores son destruidos y no pueden ser liberados. En el proceso de liberación del neurotransmisor también existen otras sustancias que también afectan. Una forma de disminuir la efectividad del CA2+ es elevar las concentraciones extracelulares de magnesio o de cobalto, que son iones que pueden competir con el CA2+ para entrar en la célula. Otras sustancias químicas pueden estimular la liberación del neurotransmisor. Ejemplo: el veneno de la viuda negra. Esta sustancia estimula la liberación continua de acetilcolina hasta agotar los depósitos de este neurotransmisor. La acetilcolina es el neurotransmisor de la unión neuromuscular y de una gran parte de las sinapsis del SN autónomo. Otras sustancias psicoactivas actúan en los receptores postsinápticos. Se conocen numerosos compuestos que, al unirse a receptores específicos, impiden la unión del neurotransmisor y por tanto el efecto que este produce. A este tipo de sustancias se les denomina antagonistas. Existen 2 tipos de antagonismo: - antagonismo irreversible: la sustancia se une tan fuertemente al receptor que prácticamente llega a destruirlo. - antagonismo reversible: caracterizado porque la sustancia bloqueante se va separando del receptor según transcurre el tiempo. Las sustancias que se unen a los receptores imitando la acción del neurotransmisor reciben el nombre de agonistas. La muscarina y la


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nicotina son agonistas de los receptores muscarinicos y nicotínicos de la acetilcolina, respectivamente. Si la sustancia facilita la liberación del neurotransmisor se comportaría como un agonista y si impide la síntesis del neurotransmisor se comportaría como un antagonista. En la inactivación del neurotransmisor, todas aquellas sustancias que afectan a las enzimas que participan en la degradación del neurotransmisor o a su recaptación por parte del terminal presinaptico modifican la transmisión sináptica. Cualquier compuesto que inhiba estos dos procesos, potenciara el efecto de los neurotransmisores.

TEMA 11: LOS SISTEMAS SENSORIALES Psicobiología

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bTEMA 11: LOS SISTEMAS SENSORIALES La selección natural ha diseñado mecanismos biológicos sensibles a diferentes tipos de energía relevante para la supervivencia y la reproducción, son los sistemas sensoriales, también llamado sentidos. Los sentidos son vías por las que la información acerca de parte de la realidad circundante accede y al SN de las especies que lo poseen. Cualquier tipo de estimulación que pueda influir sobre la conducta, para poder hacerlo, tiene que haber sido transformada en cambios eléctricos neuronales, especialmente en impulsos nerviosos. INTRODUCCIÓN A LA FISIOLOGÍA DE LOS SENTIDOS Los diferentes tipos de energía susceptibles de influir sobre la conducta de un organismo reciben el nombre genérico de estimulación sensorial. La vía a través de la cual los estímulos llegan al organismo, esencialmente al SNC y rigen la conducta (o influyen sobre ella) está constituida por los receptores sensoriales localizados en los órganos de los sentidos.

1. Tipos de energía estimular: la modalidad sensorial La estimulación sensorial constituye el aspecto físico y material de los estímulos, su modalidad (luz, sonido…) y sus características físicas de frecuencia, amplitud o intensidad… No todas las energías afectan al comportamiento ni todas forman parte del acervo de posibles estimulaciones. Además de detectar y “clasificar” la energía, (extraer la información relativa al tipo de energía), el SN debe ser capaz de codificar su procedencia, intensidad y duración. A la transformación de las diferentes modalidades energéticas en actividad eléctrica llevada a cabo por los receptores sensoriales se le llama transducción sensorial. El problema al que se enfrente el SN a la hora de proporcionar información sobre las diferentes modalidades sensoriales es que todas ellas son codificadas en términos eléctricos a nivel neuronal.


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Toda actividad eléctrica neuronal, incluido el potencial de acción, es cuantitativa y cualitativamente igual. ¿Cómo es posible que distintas modalidades sensoriales sean codificadas con el mismo código? La explicación está en que las vías nerviosas que transmiten la información sensorial al SNC llevan esa información a zonas determinadas, diferentes para cada modalidad. Este planteamiento se conoce como ley de líneas marcadas, expresión con la que se quiere hacer referencia a que las vías sensoriales siguen un trayecto predeterminado y genéticamente programado, desde los receptores a las áreas de proyección sensorial, donde se “interpreta” o descodifica la información recibida. La modalidad sensorial depende de la zona del SNC a la que llegan los impulsos nerviosos y no de cuál haya sido la energía estimular. Los receptores sensoriales están especialmente “sintonizados” con la modalidad sensorial o tipo de energía a la que responden normalmente. Cada receptor está programado para responder a un estrecho margen de valores de un tipo determinado de energía: el estímulo adecuado.

2. La cuantificación de la energía estimular: codificación de la intensidad (o amplitud) del estímulo

Las neuronas sensoriales “informan” de la intensidad de la energía incidente, ello hace posible que podamos afirmar que una sensación es más intensa que otra. 2 son los mecanismos con los que cuentan las neuronas sensoriales: - código de frecuencia: consistente en que a medida que aumenta la intensidad de la estimulación, aumenta correlativamente la frecuencia de potenciales de acción que una neurona sensorial transmite. Una neurona no puede generar más de unos 1.000 potenciales de acción por segundo. Cuando una determinada intensidad de estimulación le haga responder con esa frecuencia de disparo, cualquier aumento de esa intensidad pasará desapercibido para esa neurona.


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Hay una estrategia que permite ampliar el rango de intensidades codificables sirviéndose de una característica de las neuronas sensoriales: umbral de respuesta. Cada neurona empieza a responder sólo cuando la estimulación tiene la intensidad necesaria. Este umbral difiere de unas neuronas a otras y mientras que unas responden a estimulaciones muy débiles (son muy sensibles) otras sólo lo hacen cuando la estimulación es intensa o muy intensa. - Fraccionamiento según el rango o código poblacional (segundo mecanismo): la intensidad se codifica no sólo mediante la frecuencia de impulsos nerviosos, sino también considerando el número de neuronas que disparan potenciales de acción y su umbral de disparo. A medida que aumenta la intensidad de la estimulación, las neuronas con un umbral de disparo más alto empiezan a disparar potenciales de acción.

3. La codificación de la duración del estímulo Un fenómeno bastante habitual es el de la disminución o incluso desaparición de la sensación aun cuando la estimulación sensorial sigue teniendo la misma intensidad. Cuando esta reducción se explica por la fisiología de los receptores sensoriales recibe el nombre de adaptación sensorial, mientras que cuando los receptores siguen respondiendo de la misma forma, pero el individuo deja de respondes a la estimulación, se suele hablar de habituación, que es un tipo de aprendizaje no asociativo cuya explicación hay que buscarla en cambios fisiológicos en las sinapsis entre neuronas dentro del SNC, o en procesos más complejos. Hay unos receptores que son más fidedignos que tros, tanto en lo que se refiere a la codificación de la intensidad de la estimulación como a su duración. El caso más característico es el de los receptores de presión táctil asociados a los corpúsculos de Pacini receptores (son neuronas) que sólo responden con potenciales de acción al principio y al final de la estimulación y dejan de hacerlo el resto del tiempo, lo que significa que responden a los cambios en el estímulo. Esta reducción es la adaptación sensorial. El proceso de adaptación sensorial no sucede de la misma forma en todos los receptores sensoriales, algunos se adaptan muy rápidamente,


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otros tardan mucho en adaptarse o nos e adaptan en absoluto (como es el caso de algunos receptores del dolor). Los receptores que se adaptan deprisa reciben el nombre de receptores fásicos y los que tardan mucho o no son adaptables se les denomina receptores tónicos.

4. La localización del estímulo: campos receptivos e inhibición lateral

La ubicación o localización del estímulo se basa en la distribución estructural de los receptores sensoriales, en el modo en que se relacionan los receptores sensoriales con las diferentes zonas centrales de procesamiento (SNC) de la información que recogen. Esto se explica por la diferente densidad de receptores en unas zonas que en otra. La actividad fisiológica de una neurona sensorial resulta modificada por la estimulación de los receptores que contactan con ella, es lo que se conoce como campo receptivo. La interacción entre campos receptivos próximos explica el fenómeno denominado inhibición lateral. Es una observación bien contrastada que percibimos mejor los cambios en la intensidad de la estimulación sensorial o zonas de contraste. La estimulación de un campo receptivo no sólo excita a la neurona sensoria, sino que inhibe a las que tienen campos receptivos próximos. Figura 11.6 Esquema representativo de las conexiones neurales que podrían explicar la inhibición lateral.

Hay una relación entre campos receptivos, inhibición lateral y frecuencia de impulsos de las neuronas sensoriales: la codificación de la intensidad de un estímulo dado es el resultado de la interacción entre la propia magnitud de ese estímulo y la magnitud de los demás estímulos que puedan estar incidiendo simultáneamente en el campo receptivo de esa neurona.


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La intensidad codificada de un estímulo no siempre es directamente proporcional a la intensidad de ese estímulo. La interacción entre campos receptivos también afecta a la frecuencia de disparo de las neuronas sensoriales o de segundo y tercer orden, lo que es una forma de codificar la intensidad del estímulo. En general los sistemas sensoriales son especialmente efectivos en detectar cambios: la inhibición lateral no es otra cosa que un sistema natural de amplificación. LOS RECEPTORES SENSORIALES Y LA TRANSDUCCIÓN El estímulo produce cambios en el potencial de membrana de los receptores sensoriales que son de tipo graduado similares a los potenciales postsinàpticos. Este cambio de potencial recibe el nombre de potencial de receptor (o potencial generador) si el receptor sensorial es una neurona. Este potencial de receptor es una despolarización, aunque los potenciales originados en los receptores visuales son una excepción, pues son hiperpolarizados. En todas las modalidades sensoriales se han de generar potenciales de receptor que determinaran, bien directa o indirectamente el disparo de potenciales de acción en las neuronas sensoriales. Para que un organismo pueda verse afectado por una estimulación ambiental, es preciso que el cambio de potencial sobrepase el umbral de disparo de la neurona sensorial y se transforme en un potencial de acción.

A. Quimiorreceptores y transducción

1. Receptores gustativos

Los botones gustativos no se distribuyen de modo uniforme por la lengua, sino que se concentran en las papilas gustativas.


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Figura 11.7 Botón gustativo Las células gustativas proyectan extensiones en forma de microvellosidades hasta el poro en que termina el botón gustativo, mientras que en el otro extremo hacen sinapsis con las neuronas sensoriales. Existen 4 cualidades gustativas: dulce, salado, amargo y ácido y se añade el glutamato monosódico, el umami. El sentido del gusto es resultado de la selección natural las capacidades

sensoriales que aporta tienen algún valor adaptativo. Predecir para qué puede servir el gusto: para distinguir lo que es bueno para comer (y sobrevivir) de lo que no lo es, o sea, qué sustancias exógenas es bueno incorporarlas y qué sustancias serán nocivas para el funcionamiento del organismo. Transducción gustativa: los receptores gustativos funcionan de forma similar a las neuronas en la medida en que las sustancias estimulantes actúan sobre receptores de membrana, bien abriendo canales iónicos, bien activando receptores proteínicos que inician una cascada metabólica responsable de la activación de segundos mensajeros (según el tipo de sabor, el mecanismo será uno u otro). En ambos casos el resultado es una despolarización subsecuente a la apertura o cierre de los canales de Na+, K+ o Ca2+ que es de tipo graduado, produciéndose la liberación de un neurotransmisor químico en la sinapsis entre el receptor y la neurona sensorial.

2. Receptores olfatorios Feromonas: son unas sustancias olorosas específicas, capaces de señalar y provocar cambios fisiológicos en los congéneres.


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Figura 11.10 Cavidad nasal con la mucosa olfatoria situada en la parte superior

Las sustancias olorosas lo son porque algunas de sus moléculas se esparcen por el aire y entran en contacto con los receptores olfativos, neuronas receptoras olfatorias o receptores olfatorios. En el hombre estos receptores se encuentran en la mucosa olfatoria. Esta mucosa consta de células receptoras (CR), células de soporte (CS) y células basales (CB).

Figura 11.12 Organización celular de la mucosa olfatoria

Los receptores olfatorios proyectan cilios (ramificaciones finas de la única dendrita que poseen) hacia el interior de la capa mucosa. Los receptores olfatorios son neuronas bipolares con una proyección dendrítica hacia la superficie de la mucosa olfatoria donde se engrosa y proyecta sus cilios y una proyección axónica en su polo opuesto que atravesando el hueso craneal a través de la placa cribiforme conecta ipsilateralmente con el bulbo olfatorio. Los receptores olfatorios cuando interactúan con los estímulos

apropiados, responden generando potenciales graduados que se difunden pasivamente por el soma celular hasta alcanzar el segmento proximal del axón, donde se genera un potencial de acción cada vez que se alcanza el umbral.


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Se han propuesto 7 olores o aromas básicos o primarios de cuya combinación se derivan todos los demás: etéreo, frutal, floral, canforáceo, menta, pútrido. La transducción olfativa se inicia en los cilios de las neuronas receptoras, ya que si éstos se eliminan, queda abolida la respuesta olfativa. La frecuencia de los potenciales de acción depende de la concentración de la sustancia olorosa, pero una exposición prolongada da lugar a una reducción en la frecuencia de los potenciales hasta niveles relativamente bajos, esto se conoce como adaptación sensorial.

3. Receptores nociceptivos Transducción de la información nociceptiva: hay determinados procesos químicos que tienen lugar en los tejidos y afectan a los receptores sensoriales que informan sobre el dolor. Hay muchos compuestos tanto exógenos como endógenos que afectan a las terminaciones sensoriales nociceptivas. Algunas de estas sustancias activan directamente a las neuronas sensoriales y otras intervienen en los procesos de nocicepción actuando como moduladores modificando el umbral de respuesta de las terminaciones libres a otros estímulos químicos o mecánicos. Diferentes agentes químicos sensibilizan o estimulan las terminaciones nerviosas libres produciendo dolor. Los tejidos lesionados y las células del sistema inmunitario liberan diversos compuestos que excitan a los nociceptores. Además, la estimulación de los nociceptores puede producir la liberación de sustancias que ellos mismos sintetizan.

B. Mecanorreceptores y transducción

1. Receptores cutáneos Los Mecanorreceptores responden a la acción de fuerzas mecánicas. Entre ellos se encuentran parte de los receptores sensoriales de la piel, y los de los músculos, los tendones y las articulaciones. Los Corpúsculos de Pacini son receptores que responden a la deformación mecánica de la piel de forma que la presión ejercida por el estímulo genera cambios en la conformación de las láminas del tejido


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conectivo que rodean la terminación sensorial del receptor, al igual que sucede cuando esta presión se retira. Estos receptores son neuronas cuya ramificación periférica es la fibra aferente que actúa como receptor sensorial, mientras que su ramificación central responde con potenciales de acción transmitiendo la información al SNC. Los cuerpos celulares de estas neuronas se encuentran en los ganglios de la raíz dorsal y en los ganglios encefálicos. Su estructura le hace especialmente sensible para señalar los cambios rápidos de presión. Figura 11.15 Corpúsculos de Pacini

Las sensaciones de la piel se explican por el conjunto de interacciones que se dan a nivel central a partir de la información recogida por los distintos receptores sensoriales. La distribución de los diferentes receptores cutáneos no es homogénea, cada zona tiene una sensibilidad específica, mayor o menos en función de la densidad de receptores. En las zonas de la piel más sensibles al tacto, como por ejemplo las yemas de los dedos

el número de los receptores por área es mayor, un mayor número de neuronas en el SNC que procesan la información procedente de las yemas de los dedos en comparación con otras partes del cuerpo. La transducción es la transformación de la energía mecánica en potenciales generadores por parte de los corpúsculos de Pacini se lleva a cabo de la siguiente forma:

- el estímulo que incide sobre la piel es modificado por las células accesorias que rodean al receptor

- el estímulo mecánico incide sobre la membrana de la zona receptora de la neurona sensorial para producir un cambio en su potencial de membrana


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- este cambio de potencial puede producir un potencial de acción en la fibra nerviosa aferente.

2. Receptores Auditivos

La transducción auditiva es el resultado del efecto de las ondas sonoras (fruto de las oscilaciones en la concentración de moléculas del aire que resultan de cualquier proceso vibratorio) que son una forma de fuerza mecánica ejercida por las moléculas del aire, sobre os receptores auditivos: las células ciliadas. La onda sonora, en su recorrido hasta la cóclea (Figura 11.18) tiene que pasar por el meato auditivo. En su desplazamiento hacia el interior del oído, la onda sonora “tropieza” con la membrana timpánica. Las variaciones de presión de la onda sonora se transmiten al tímpano que empieza a vibrar con una frecuencia y una amplitud proporcional a la frecuencia e intensidad de la onda sonora que llega. El tímpano y la cadena de huesecillos del oído medio constituyen una adaptación específica para captar ondas sonoras que viajan a través del aire: originariamente, el oído era una estructura especializada en recoger las vibraciones del medio líquido. Las vibraciones del aire no son capaces por sí solas de afectar al líquido coclear de los animales terrestres, ya que las ondas sonoras que discurren por el aire apenas afectan a los medios líquidos, sino que se reflejan casi por complejo en ellos. El tímpano y la cadena de huesecillos que conectan el efecto de la onda o vibración sonora, a través de la ventana oval, con el almacén de líquido que es la cóclea constituyen el sistema de amplificación que permite que las ondas sonoras de tipo aéreo se transmitan a un medio líquido sin apenas pérdida. El sistema de amplificación se consigue gracias a la interacción de 2 factores:

- la cadena de huesecillos actúa como un sistema de palancas que hace que la vibración del tímpano aumente su fuerza y reduzca su amplitud al llegar a la ventana oval.

- (el más importante) el hecho de que el tímpano tenga una superficie de alrededor de 70mm cuadrados y la ventana oval 3mm cuadrados, lo que determina que la fuerza de la vibración de ésta se vea multiplicada.


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Con este sistema se recupera casi por completo la pérdida natural de intensidad por el paso de la vibración de un medio aéreo a un medio líquido. Figura 11.18 A. Estructuras esenciales de las 3 partes del oído y B. La representación esquemática del sistema auditivo humano.

Cuando las ondas sonoras llegan a la ventana oval sus vibraciones se transmiten a la perilinfa que rellena la rampa vestibular de la cóclea. Como el líquido coclear no se puede comprimir, cada vez que la ventana oval oscila hacia dentro de la cóclea aumenta la presión del líquido, mientras que cuando oscila hacia fuera, se reduce dicha presión esto significa que la onda sonora se ha transformado en la cóclea en una onda de presión que recorre la perilinfa líquida. La vibración de la perilinfa afecta a las 2 membranas que delimitan la rampa media o conducto coclear, relleno de endolinfa. Estas membranas son:

- la membrana de reissner o vestibular por arriba

- la membrana basilar por abajo.

Ambas membranas sufren una deflección, concretamente la de la membrana basilar.


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Figura 11.19 Visión de un corte de la cóclea en el que se muestran los 2 canales cocleares (rampas vestibulares y timpánica, rellenas de un líquido llamado perilinfa y entre ellas la rampa media o conducto coclear, relleno de endolinfa) así como la deflección que sufren las membranas.

La deflección de la membrana basilar va a ser determinante en el proceso de transducción auditiva, precisamente porque el órgano de Corti, donde se localizan las células ciliadas, se encuentra recubriendo la superficie superior de esta membrana: la incurvación de la membrana basilar por la acción de la vibración de la perilinfa afecta directamente a las células ciliadas. Cuando la membrana basilar se curva, las células ciliadas se curvan paralelamente. Los estereocilios, que son las vellosidades que poseen las células ciliadas en su parte superior, están en contacto y embebidos en la membrana tectorial, por lo que al incurvarse la membrana basilar, sufren un desplazamiento en su base pero no en la zona de contacto con la membrana tectorial esto hace que los estereocilios se arqueen más o menos en función de la amplitud de la incurvación de la membrana asilar. La inclinación de los estereocilios hacia un lado hace que se abran determinados canales iónicos de las células ciliadas de lo que resulta su despolarización.


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Figura 11.20 A. Representación esquemática de la membrana basilar en reposo con el órgano de Corti encima cubierto por la membrana tectorial y B. La membrana basilar se curva como consecuencia de la presión que sobre ella ejerce la perilinfa.

Entre la perilinfa y la endolinfa hay una diferencia de potencial de -80mV, el llamado potencial endococlear cuyo significado funcional parece ser el de facilitar los cambios de potencial de las células ciliadas. Solo las células ciliadas externas se despolarizan. Las células ciliadas internas tienen muchos menos estereocilios y además no están insertos en la membrana tectorial. Las células ciliadas hacen sinapsis con las neuronas del nervio auditivo, y las células al despolarizarse liberan cierto neurotransmisor responsable de la despolarización de las neuronas auditivas. Las fibras auditivas están recubiertas de mielina, ésta desaparece en las zonas de contacto con las células ciliadas.

C. Fotorreceptores y transducción visual El procesamiento de la información visual se inicia con la transformación de la luz en señales eléctricas por parte de los fotorreceptores de la retina del ojo. Los fotorreceptores no producen potenciales de acción tras ser estimulados por la luz, sino que responden con cambios en su potencial de membrana (potenciales locales).


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Figura 11.23 Disposición de los diferentes componentes del ojo humano

Cuando llega la luz la córnea y el cristalino la enfocan y tras atravesar el humor vítreo, es absorbida por las células fotorreceptoras de la retina. Estas células se disponen sobre el epitelio pigmentado que abarca todo el fondo del ojo y contiene grandes cantidades de melanina, cuya función es recoger la luz que las células retinianas no han podido absorber. Ello impide que haya un reflejo de la imagen que entra desde el fondo del ojo hacia la retina, ya que podría distorsionarla. Para permitir que la luz llegue a las células fotorreceptoras sin ser dispersada o absorbida las capas celulares de la retina más próximas

al cristalino no tienen mielina y son relativamente transparentes. La retina tiene una pequeña invaginación en forma de mella, situada aproximadamente, en su punto central denominada fóvea. En la fóvea, los cuerpos neuronales de las células retinianas se disponen desplazados hacia los laterales para dejar paso libre a la luz para que no haya distorsión y la luz llegue con menos dificultad. En la parte central de la fóvea, llamada foveola, prácticamente sólo hay células fotorreceptoras en alta concentración que permite que la agudeza visual sea máxima en esa zona. Hay 2 tipos de células fotorreceptoras llamadas conos y bastones. Hay más cantidad de bastones que conos. En ambos fotorreceptores existen moléculas sensibles a la luz llamadas pigmentos visuales o fotopigmentos. Los bastones contienen un tipo de pigmento específico, mientras que hay 3 tipos de pigmentos en los conos que determinan 3 tipos de conos según el pigmento que usan.


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Figura 11.24 Organización de la retina y su disposición en diferentes capas

El pigmento visual de los bastones es más sensible a la luz que los de los conos, puesto que les permite captar más luz, y además, los bastones amplifican más la señal luminosa que los conos. Un único fotón1 puede producir una señal eléctrica detectable en os bastones, mientras que se precisan centenares de fotones para que un cono pueda generar la misma respuesta. Por lo tanto, los bastones participan en la visión nocturna o con luz tenue, mientras que los conos se activan durante la visión diurna. Tanto los conos

como los bastones hacen sinapsis con neuronas bipolares. Cutre-esquema: Sinapsis de conos y bastones con las neuronas bipolares

Explicación del cutre-esquema: 1 Fotón: es el valor mínimo de la energía luminosa absorbida por la materia. Esta partícula es la portadora de todas las longitudes de onda del espectro electromagnético.


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Hay muchos bastones que establecen contacto con una misma célula bipolar, reforzando así la señal eléctrica que se genera en ella, pero esta mayor convergencia es una limitación para ganar en resolución espacial porque en la neurona bipolar los efectos de cada bastón se promedian. Los conos presentan mejor resolución espacial porque muestran menos convergencia (sólo unos pocos establecen sinapsis con cada célula bipolar) y ello facilita que la imagen pueda transmitirse de forma más fidedigna manteniendo las diferencias espaciales. Los conos están concentrados en la fóvea, lugar donde la imagen sufre menor distorsión y donde no hay convergencia de ningún tipo: cada célula bipolar recibe información de un único cono. También se diferencian en que los conos presentan mayor resolución temporal que los bastones. Los bastones disparan lentamente y permite detectar bajas iluminaciones, en cambio la respuesta de los conos es mucho más rápida, lo que les permite detectar mejor los cambios de la iluminación en el tiempo. Las diferencias funcionales entre conos y bastones no sólo se deben a las distintas propiedades que presentan ambos fotorreceptores sino también a las conexiones que establecen con otras células de la retina. Estas conexiones constituyen 2 sistemas funcionales distintos en la retina: el escotópico (para los bastones) y el fototópico (para los conos). (Figura 11.26) Figura 11.26 Representación de la morfología de las células fotorreceptoras (bastones a la izquierda, conos a la derecha).

Las principales diferencias entre conos y bastones en lo que se refiere a la transducción visual estriban:

- en primer lugar, en su sensibilidad: mientras que los bastones reaccionan a la presencia de un único fotón, los conos requieren mucha mayor cantidad de energía para responder.


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Por ello los bastones se saturan y dejan de responder en condiciones de buena iluminación. - Los conos en cambio son capaces de continuar respondiendo aun

cuando se mantenga la luz prolongadamente. Los mecanismos de la transducción son muy similares en ambos fotorreceptores y que se llevan a cabo de modo parecido a otras formas de transducción basadas en procesos de activación e inactivación de proteínas G y de segundos mensajeros. En la transducción visual el potencial de receptor constituye una excepción a la regla general ya que no se trata de una despolarización sino de una hiperpolarización (importante) En ausencia de luz, los iones Na+ están entrando masivamente a través de los segmentos externos de los fotorreceptores lo que les mantiene despolarizados, dando como resultado la liberación del neurotransmisor glutamato. En presencia de luz, los canales de Na+ se cierran y el potencial de membrana se hiperpolariza al no entrar iones Na+, por lo que deja de liberarse masivamente glutamato. Cuando los fotones de luz son absorbidos por los fotopigmentos, se produce la descomposición de éstos en diversos compuestos a través de una cadena de reacciones moleculares. Uno de estos compuestos activa una proteína G que a su vez activa la degradación del segundo mensajero GMPC. Este mensajero mantenía abiertos los canales de Na+, lo que mantenía despolarizado al fotorreceptor y al ser degradado el mensajero los canales de Na+ no pueden mantenerse abiertos y los fotorreceptores sufren una hiperpolarización. LA TRANSMISIÓN DE LA INFORMACIÓN SENSORIAL AL SISTEMA NERVIOSO CENTRAL El resultado de la transducción es la generación de potenciales de receptor, que finalmente pueden provocar el disparo de potenciales de acción en las neuronas sensoriales, de forma directa o indirecta, según sea el receptor una neurona o una célula especializada no nerviosa. Los axones de estas neuronas sensoriales constituyen los nervios espinales y craneales y a través de ellos la información es transmitida a diferentes divisiones del SNC.


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1. Aproximación General a los Circuitos Sensoriales del SNC

Una de las características fundamentales del procesamiento de la información sensorial en el SNC es que se requiere la intervención de diversos núcleos y regiones encefálicas que funcionan de forma integrada. Existe una especialización en las funciones que desempeña cada una de estas regiones encefálicas, de modo que las señales sensoriales fluyen desde niveles inferiores a niveles superiores, estableciéndose una jerarquía en el procesamiento sensorial. Esta organización jerárquica implica que la información procedente de los receptores sensoriales llega principalmente a la médula espinal y a regiones situadas en el tronco del encéfalo y en el diencéfalo para alcanzar finalmente la corteza cerebral (excepto la información olfativa que llega en primer lugar a los hemisferios cerebrales). Las áreas corticales constituyen el nivel superior de esta jerarquía y son las responsables del procesamiento más complejo de la información sensorial, así como de su integración e interpretación. La información relevante sobre los estímulos sensoriales es recogida por receptores especializados situados en los órganos de los sentidos. Esta información es recibida por el SNC a través de vías aferentes que están constituidas por los axones de neuronas sensoriales que en su mayor parte se encuentran agrupadas en ganglios, los ganglios del sistema somático. Estos ganglios se localizan fuera del SNC y forman parte del SNP, son los ganglios de la raíz dorsal o espinales y los ganglios craneales. Las neuronas que constituyen estos ganglios son las neuronas sensoriales de primer orden o primarias. Los axones de las neuronas sensoriales primarias (raíces dorsales y fibras aferentes que forman parte de los nervios craneales) establecen sinapsis con neuronas situadas en diferentes divisiones del SNC, que son las neuronas sensoriales de segundo orden o secundarias. Los axones de estas neuronas secundarias alcanza el tálamo, donde establecen sinapsis con neuronas situadas en diversos núcleos responsables del procesamiento de las señales sensoriales. Estas neuronas talámicas son las neuronas sensoriales de tercer orden y están especializadas según la modalidad sensorial.


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Se encuentran formando núcleos concretos en el tálamo que envían las señales de cada modalidad hacia áreas específicas de la corteza cerebral. Esta organización jerárquica de los circuitos sensoriales implica un procesamiento en serie, que no supone la simple transmisión de información pues en cada relevo tiene lugar una integración sucesiva de las señales sensoriales que es cada vez más compleja a medida que se alcanzan niveles superiores de procesamiento. Por otro lado, existe también un procesamiento en paralelo de las señales sensoriales, de forma que éstas se transmiten a través de vías múltiples para ser analizadas en circuitos paralelos que parecen desempeñar diferentes funciones. Ejemplo: el sistema somatosensorial está constituido por 2 circuitos diferentes que transmiten información acerca de distintas características del estímulo:

- el sistema lemniscal: responsable de la transmisión de la información táctil más compleja y precisa, y de las señales propioceptivas.

- el sistema anterolateral: que transmite fundamentalmente las señales nociceptivas y la información sobre la temperatura.

Aunque parecen desempeñar funciones diferentes, en otras hay un cierto grado de solapamiento y ambos sistemas comparten información, por ejemplo, el sistema lemniscal participa en la localización del estímulo doloroso. Otra de las características de la organización de estas vía sensoriales es que parte de sus fibras aferentes experimentan un cruce hacia el lado contralateral del cuerpo, auque este cruce de fibras o decusación tiene lugar a diferentes niveles según el tipo de señal sensorial. Ejemplo: en el sistema somatosensorial, 2 de los circuitos que lo integran y que transmiten la información procedente de la médula espinal, el sistema lemniscal y el anterolateral, se decusan a diferentes niveles. Las fibras aferentes primarias del sistema lemniscal son axones mielinizados de gran tamaño que se disponen ordenadamente para


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representar con precisión el mapa de la superficie corporal y que ascienden hacia el encéfalo formando las columnas dorsales. Estos axones ascendentes establecen sinapsis con neuronas situadas en los núcleos de las columnas dorsales del bulbo raquídeo (neuronas secundarias) de ahí que al sistema lemniscal también se le denomine sistema de las columnas dorsales. Figura 11.29 Esquema representativo de las 2 vías ascendentes del sistema somatosensorial: el sistema lemniscal y el sistema anterolateral (IMPORTANTE)

Como puede verse en la figura, los axones de estas neuronas cruzan al lado contrario del cuerpo a nivel bulbar y forman un tracto ascendente denominado lemnisco medial que alcanza en su mayor parte el tálamo y desde esta región diencefálica se envían proyecciones a la corteza somatosensorial. Las fibras aferentes del sistema anterolateral están constituidas por axones más finos que los del sistema lemniscal, transportan la información más lentamente y permite una menor precisión en la localización del lugar de procedencia de la estimulación.


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Estas fibras establecen sinapsis en el asta dorsal de la médula espinal con las neuronas secundarias (figura 11.29 B) cuyos axones cruzan al lado opuesto y ascienden a lo largo de la médula espinal (por la zona anterolateral de la sustancia blanca, de ahí su nombre) alcanzando el tálamo y diversas regiones del tronco del encéfalo. Desde el tálamo la información es enviada, al igual que ocurría con el sistema lemniscal, hasta la corteza somatosensorial y también en este caso la corteza cerebral de cada hemisferio recibe la información procedente del lado contralateral del cuerpo. Solo en esta vía neural que alcanza la corteza cerebral a través del tálamo se observa el patrón general de organización jerárquica en el que intervienen 3 neuronas (primarias, secundarias, terciarias). El sistema somatosensorial no es el único que presenta una decusación de sus fibras hacia el lado contralateral, otras vías sensoriales, como las auditivas o las vestibulares que decusan a nivel troncoencefálico. También en el sistema visual encontramos una decusación de las fibras que transmiten la información sobre los estímulos luminosos. Los axones de las células ganglionares de la retina, que constituyen el nervio óptico, se dividen en 2 grupos en el quiasma óptico, de modo que los que provienen de la mitad de la retina más cercana a la nariz (hemirretina nasal) cruzan hacia el lado contralateral, mientras que la otra mitad de la retina (hemirretina temporal) proyecta sus axones ipsilateralmente (figura 11.31) De esta forma la información proveniente de la parte derecha de los campos visuales de ambos ojos se proyecta en la parte izquierda de cada retina, mientras que la información proveniente de la parte izquierda de los campos visuales de ambos ojos se recibe en la mitad derecha de cada retina. Figura 11.31 Organización de las vías visuales (IMPORTANTE)

A partir del quiasma óptico estos axones constituyen el tracto óptico que transmite la información visual en su mayor parte al núcleo geniculado lateral del tálamo, del que parten axones divergentes que constituyen la radiación óptica que alcanza la corteza visual primaria.


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Otra característica de la organización de los sistemas sensoriales de especial relevancia es que presentan una disposición ordenada de sus aferencias que se mantiene en los diferentes niveles de relevo de la información sensorial, desde los niveles inferiores de la jerarquía hasta los niveles superiores. 1. En el sistema somatosensorial, la localización de un estímulo es posible gracias a que la relación existente entre los receptores sensoriales que se encuentran por toda la superficie del cuerpo se mantienen en los niveles superiores de procesamiento en el SNC, es lo que se conoce como organización somatotópica. La organización somatotópica da lugar a un mapa de la superficie corporal que no guarda una relación directa con el tamaño de cada zona, sino que depende de la importancia funcional de esa región. ¿Cómo es posible la organización de este mapa somatotópico? Parte de las fibras aferentes somatosensoriales entran a través de las raíces dorsales a diferentes niveles medulares, de forma que cada raíz dorsal agrupa aferencias procedentes de áreas específicas de la piel denominadas dermatomas. Dermatoma: es el área de la superficie cutánea inervada por las fibras de cada raíz dorsal. La organización segmentaria de las raíces dorsales de la médula espinal se mantiene en los diferentes sistemas ascendentes, de forma que las fibras se organizan y terminan en una disposición ordenada que mantiene las relaciones de la superficie corporal según su origen somático. 2. La disposición ordenada que caracteriza la organización de las aferencias sensoriales puede observarse también en el sistema visual. Existe también un mapa retinotópico que permite localizar la situación de los objetos en el campo visual. Cada punto del campo visual se proyecta en un punto determinado de la retina de forma invertida (lo que está en la parte superior del campo visual se proyecta en la parte inferior de la retina, y lo que está en la parte derecha del campo visual se proyecta en la mitad izquierda de la retina). La información procedente de cada punto del campo visual es codificada y finalmente transmitida por los axones de las células


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ganglionares de la retina, que se disponen de forma ordenada para representar el campo visual completo. Esta disposición ordenada de los axones se mantiene también en los niveles superiores del procesamiento visual a nivel talámico y cortical. La existencia de este mapa retinotópico no implica que se representen de forma proporcionada todas las zonas de la retina (al igual que ocurría con el mapa somatotópico y las zonas corporales) sin que el área de representación es mayor cuanto mayor es la importancia de la región, y éste es el caso de la fóvea o zona central de la retina. 3. También en el sistema auditivo existe una disposición ordenada de los axones aferentes primarios, que nos permite distinguir las diferentes frecuencias de los sonidos. Los axones que establecen contacto con los receptores sensoriales situados en la parte más cercana a la ventana oval codifican sonidos más agudos (frecuencias más altas) mientras que aquellos que establecen sinapsis con los receptores situados más internamente codifican los sonidos más graves (frecuencias más bajas). Esta organización tonotópica en la que existe una relación topográfica entre los diferentes puntos de procedencia de las fibras auditivas que da lugar a un mapa completo de la cóclea, se mantiene hasta la corteza cerebral. LOS PRIMEROS NIVELES DE PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN SENSORIAL (se centran en la visual) Las fases iniciales del procesamiento de la información visual tienen lugar en la retina. Al conjunto de fotorreceptores que envían información de un área concreta del campo visual a estas células nerviosas se llama campo receptivo de esa célula. El campo receptivo de las células bipolares está constituido por 2 áreas concéntricas, una central en forma de círculo y otra periférica formando un anillo alrededor de la parte central y presenta una organización antagónica.


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Figura 11.33 Representación de los campos receptivos de las células bipolares

La respuesta de la célula bipolar cuando la luz incide sobre el centro de su campo receptivo es contraria a la que emite cuando la luz incide sobre la periferia. Se distinguen 2 tipos de células bipolares:

- células de centro ON: si se ilumina el centro del campo receptivo de una célula de centro ON se producirá una despolarización, mientras que la célula se hiperpolarizará si la luz incide en la periferia del campo receptivo.

- células de centro OFF: si se ilumina el centro del campo receptivo de una célula de centro OFF, se producirá una hiperpolarización, pero si la luz incide en la periferia la célula se despolarizará.


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Figura 11.34 Respuesta de las células bipolares de Centro ON y Centro OFF a la estimulación luminosa (IMPORTANTE)

Las células bipolares de Centro ON responden al glutamato liberado por los fotorreceptores hiperpolarizándose, mientras que las de Centro OFF responden al glutamato despolarizándose. En la oscuridad, la liberación de grandes cantidades de glutamato tiene el efecto de hiperpolarizar a las neuronas de Centro ON y despolarizar a las de Centro OFF. En presencia de la luz, los fotorreceptores liberan menos

glutamato, lo que despolariza a la célula de Centro ON y permite la transmisión de información a la célula ganglionar, al mismo tiempo que se produce la hiperpolarización de las células de Centro OFF. Los terminales de los fotorreceptores pueden establecer contactos sinápticos simultáneamente con células bipolares de Centro ON y de Centro OFF. Los cambios en el potencial de membrana de las células bipolares son de tipo graduado y producen una mayor o menor liberación de glutamato en las sinapsis que éstas establecen con las correspondientes células ganglionares. Existen diferentes tipos de células ganglionares según las características del estímulo a las que responden. Como en el caso de las células bipolares, los campos receptivos de estas células están constituidos por 2 regiones concéntricas con una organización centro-periferia que es antagónica y se nombran como las células bipolares de las que reciben información: células de Centro ON y células de Centro OFF.


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Figura 11.35 Representación de las respuestas de células ganglionares de Centro ON y de Centro OFF.

Estas células responden de forma más vigorosa cuando existe un máximo contraste de la luz que incide en el centro y en la periferia. Cuando sólo se ilumina una parte de su campo receptivo (el centro en las de Centro ON, y la periferia en las de Centro OFF). Las células de Centro ON señalan los aumentos de la iluminación que incide en el centro de su campo receptivo, mientras que las de Centro OFF codifican los decrementos en la iluminación. Por ello se denominan células sensibles al contraste. La probable función de estas células ganglionares es la de informar al SNC de la diferente distribución de la luz en la retina de las diferencias de contrate en la iluminación, ya que responden de forma débil cuando la iluminación es difusa y afecta a todo su campo receptivo.


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EL PAPEL DEL TÁLAMO EN EL PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN SENSORIAL (IMPORTANTE) El tálamo es el centro fundamental para el procesamiento de la información sensorial procedente de la médula espinal y del tronco del encéfalo, aunque la información visual llega a él de forma directa. La información olfatoria es una excepción pues alcanza directamente la corteza cerebral, aunque también una parte de ella llega al tálamo. El tálamo está organizado en diferentes grupos nucleares, entre los que se encuentran los núcleos de relevo sensorial (Figura 7.23 y 7.58), éstos constituyen el grupo ventral y cada un de ellos interviene en el procesamiento de una modalidad sensorial diferente. Estos núcleos envían también de forma específica proyecciones a áreas concretas de la corteza cerebral. Figura 7.23 Representación esquemática del tálamo izquierdo para mostrar los núcleos


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Figura 7.58 Áreas de la neocorteza (sensoriales, motoras y de asociación) y núcleos talámicos de relevo del grupo ventral que les transmiten las señales

Algunos núcleos talámicos tienen poblaciones celulares muy uniformes, y otros están organizados en capas, como es el caso del sistema visual, las señales llegan al núcleo geniculado lateral, cuyas células se agrupan en función de su tamaño y de las proyecciones que reciben de la retina, en capas parvocelulares (células de pequeño tamaño) y capas magnocelulares (células de gran tamaño) (Figura 11.36)


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Figura 11.36 Organización del núcleo geniculado lateral del tálamo

Existen 2 sistemas independientes, aunque también comparten parte de la información, son el sistema parvocelular y el sistema magnocelular. Ambos sistemas proyectan a regiones diferentes de la corteza cerebral. Los campos receptivos de las neuronas talámicas presentan una organización antagónica similar a las de las células bipolares y ganglionares de la retina. Las neuronas magnocelulares tienen campos receptivos más grandes y son sensibles al movimiento de los objetos y contribuyen a la percepción de las características generales del estímulo, mientras que las neuronas parvocelulares tienen campos receptivos más pequeños y son responsables del análisis de los detalles finos de la imagen e intervienen en la percepción de la forma y del color. Una vez que las señales visuales han sido procesadas en el tálamo, la información es enviada a la corteza visual a través de las radiaciones ópticas y a otras regiones encefálicas. EL PROCESAMIENTO CORTICAL DE LA INFORMACIÓN SENSORIAL Las proyecciones talámicas llegan a áreas corticales concretas dependiendo de la modalidad sensorial alcanzando, en primer lugar, las áreas sensoriales primarias. Estas áreas transmiten la información a las áreas corticales secundarias y a las áreas de asociación.


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1. Procesamiento cortical en el sistema somatosensorial La corteza somatosensorial esta formada por unas regiones citoarquitectónicamente diferentes situadas en la región anterior del lóbulo parietal. La corteza somatosensorial primaria se sitúa en la circunvolución post-central y en el interior del surco central, mientras que la corteza somatosensorial secundaria se localiza de forma lateral y algo posterior a la corteza primaria y en el interior del surco lateral. Figura 11.37 Áreas somatosensoriales primarias y secundarias.

Las áreas somatosensoriales primarias y secundarias de la corteza parietal anterior proyectan a la corteza de asociación parietal posterior. Las lesiones en esta área de asociación no dan lugar a déficit sensoriales específicos como ceguera, sordera o pérdida de la sensibilidad táctil, como ocurriría si se lesionaran las áreas primarias correspondientes. La organización somatotópica se mantiene también en la corteza somatosensorial. La superficie del cuerpo no está

proporcionalmente representada, sino que ésta es mayor para aquellas partes que desempeñan un papel fundamental en la discriminación táctil y de las que hay que tener una

información sensorial precisa para poder ejercer un fino control de sus movimientos.


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Figura 11.38 Organización somatotópica en la corteza somatosensorial primaria.

La magnificación cortical de algunas zonas del cuerpo está proporcionalmente relacionada con la densidad de las aferencias sensoriales recibidas desde cada una de ella y éste puede verse modificado en función de la experiencia, (ejemplo: capacidad de discriminación táctil desarrollada en las personas que leen textos en Braille) o por la existencia de lesiones. La corteza somatosensorial muestra una organización interna, de forma que se establecen conexiones verticales entre las neuronas de regiones concretas, presentando una organización columnar. Estas columnas están definidas en función de que sus neuronas reciban información de la misma

zona y sean sensibles a estímulos similares. Todas aquellas neuronas corticales que se localizan en una misma columna constituyen un módulo funcional. Dentro de cada columna todas las neuronas responden a la información captada por un mismo tipo de receptor y de la misma zona de la piel. Cada columna cortical codifica una diferente localización y cualidad de la estimulación. Aunque los diferentes aspectos de la información táctil que llega a la corteza cerebral son procesados en diferentes columnas, en el sistema somatosensorial se produce una integración de la información que incluye todos estos aspectos. Para integrar los estímulos que nos llegan y relacionarlos con los objetos de nuestro entorno, el SN tiene que combinar la información procedente de muchos Mecanorreceptores que captan diferentes características del estímulo y procesarla en zonas donde convergen diferentes aferencias.


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Esta convergencia permite que en niveles sucesivos del procesamiento sensorial las neuronas respondan a características de los estímulos cada vez más complejas y son estas neuronas las que participan en las últimas fases del procesamiento cortical. Las diferentes áreas de la corteza somatosensorial primaria y secundaria envían proyecciones a la corteza parietal posterior, que es donde se realiza un nivel de procesamiento más elaborado de la información somatosensorial. Las lesiones en la corteza parietal posterior pueden producir una incapacidad (astereognosia) para reconocer mediante el tacto objetos comunes. Esta corteza parietal posterior integra junto con la información somatosensorial aquella procedente de otros sistemas sensoriales, fundamentalmente del visual. De esta integración va a depender la percepción de las relaciones espaciales y de la propia imagen corporal. Las lesiones en esta área pueden provocar que el paciente ignore la mitad de su cuerpo, el lado contralateral al hemisferio dañado, el síndrome de heminegligencia.

2. Procesamiento cortical en el sistema visual La información visual llegar a través de los tractos ópticos al tálamo, concretamente, al núcleo geniculado lateral y desde allí es enviada mediante las radiaciones ópticas a un área concreta de la corteza cerebral situada en el lóbulo occipital, la corteza visual primaria (V1), aunque existen también otras áreas de la corteza visual denominadas V2, V3, V4 y V5 que procesan también diversos aspectos de la información visual. Figura 11.40 Localización de las diferentes áreas de la corteza visual en el encéfalo A. distribución general de esas áreas en el lóbulo occipital.

2. A. Las células simples y complejas Se distinguen 2 tipos principales de neuronas en la corteza visual primaria: las células simples y las células complejas.


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Al igual que las células bipolares y ganglionares de la retina y las del núcleo geniculado lateral, las células simples presentan campos receptivos con una zona central y una zona periférica. Los estímulos que son óptimos para la activación de las células simples no son puntos anillos de luz, sino más bien estímulos del tipo de barras alargadas. Cada célula simple responde a una orientación característica del estímulo en su campo receptivo y que, al mismo tiempo, todas las orientaciones posibles del estímulo están presentes en el conjunto global de la población de las células simples. No todos los campos receptivos de las células simples presentan una zona central definida como excitadora y una periferia que rodea a esa zona central como inhibidora:

- Hay células simples que tienen campos receptivos con una zona excitadora que ocupa la mayor parte del mismo, mientras que la zona inhibidora ocupa solamente un pequeño lateral.

- Hay células simples que tienen campos receptivos con una zona excitadora ocupando exactamente la mitad del mismo y una zona inhibidora ocupando la otra mitad.

El siguiente nivel del procesamiento de la información visual parece que es llevado a cabo por las células complejas de la corteza visual primaria. Existen diferentes tipos de células complejas que están organizadas jerárquicamente dependiendo de las características de los estímulos que son capaces de desencadenar su activación. Estas células son las más abundantes de la corteza visual y se localizan no solamente en el área V1, sino también en la V2 y en otras áreas de la corteza visual, a diferencia de las células simples que están agrupadas en su mayor parte en el área V1. Las células complejas no tienen campos receptivos organizados en áreas excitadoras o inhibidoras ni son activadas por estímulos fijos de luz ya sean puntos o barras. Este tipo de neuronas son estimuladas por el movimiento brusco de un hilo o una barra de luz alargada que recorre su campo receptivo, pero con una orientación determinada. Las células complejas tienen unos campos receptivos más grandes que los de las células simples, lo que sugiere que estos campos receptivos son el resultado de aferencias provenientes de diversas células simples, que están organizadas espacialmente de una forma característica.


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Dado que las células complejas responden de forma intensa ante movimientos del estímulo luminoso en una dirección y no responden en absoluto en otras, se dice que tienen la propiedad de selectividad de la dirección. Otra propiedad de estas células corticales es la finalización del campo receptivo, ya que la mayoría de estas células responden mucho mejor ante un estímulo cuyo tamaño se ajusta a su campo receptivo, siendo su respuesta más débil cuando la barra de luz es más corta que el propio campo receptivo. La propiedad de finalización del campo receptivo pueden presentarla también las células simples, pero esta característica es más común en las células complejas del área V2. El hecho de que los estímulos se muevan parece ser de gran importancia para el procesamiento de la información visual en la corteza cerebral. Si las imágenes fueran perfectamente fijas, al cabo de poco tiempo no se percibirían. 2. B. Las Columnas y los Módulos Corticales En la corteza visual primaria la mayoría de las neuronas, ya sean simples complejas reciben información procedente de los 2 ojos, son binoculares. Sin embargo, la mayoría de ellas reciben más aferencias desde un ojo que desde el otro, propiedad que se denomina dominancia ocular. Las neuronas que responden de forma preferente a las señales procedentes de un ojo no se distribuyen al azar en la corteza visual. Estas células se organizan en columna de 1mm de anchura llamadas columnas de dominancia ocular. Existe también una organización columnar para la preferencia por la orientación de los estímulos con un ángulo determinado ya que las neuronas (simples o complejas) que responden a la misma orientación del estímulo se sitúan en la misma columna, formando las denominadas columnas de orientación.


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Figura 11.45 Organización de los módulos corticales visuales. Al conjunto de las columnas que cubren todos los ángulos posibles de orientación de un estímulo se les denomina hipercolumnas. Las agrupaciones neuronales o regiones sensibles al color se denominan estacas o manchas y se disponen exactamente alineadas en las columnas de dominancia ocular atravesando las capas de la corteza primaria. Muchas de las células de las

estacas son oponentes al color. Las células corticales muestran una organización antagónica centro-periferia y por ello se denominan doblemente oponentes al color. Las columnas de dominancia ocular y las de orientación se disponen formando ángulos entre sí, de forma que pueden hacerse bloques de corteza que contienen todos los elementos neurales necesarios para el procesamiento de la información visual procedente de la retina. A estos bloques de corteza se les denomina módulos corticales. Los módulos corticales son las entidades individuales mínimas capaces de procesar la información sobre todos los aspectos de las imágenes que llega a la corteza visual primaria procedente de la retina. Todos los aspectos de los estímulos recibidos en una zona particular de la retina, serían procesados en un módulo concreto. En otro módulo contiguo, se procesaría la información proveniente de otra zona de la retina, y así sucesivamente. Los módulos corticales son iguales en cuanto a su organización celular, aferencias y eferencias y la forma de analizar la información que reciben. Miles de estos módulos procesarían en conjunto y en paralelo la imagen que se recoge en la retina.


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El tipo de células complejas, al requerir un alineamiento exacto del estímulo, participan en la percepción de la profundidad. Por otro lado, dado que los ojos están ligeramente separados, las imágenes que vemos inciden sobre partes ligeramente diferentes de los campos receptivos de las neuronas corticales. Esta pequeña diferencia en la posición de los objetos es detectada por ciertas células complejas, denominadas células moduladoras de la disparidad. VIAS DE MODULACION SENSORIAL. LA MODULACION DE LA PERCEPCION DEL DOLOR Las proyecciones descendientes modulan el flujo de información sensorial que alcanza la corteza cerebral, actuando principalmente a nivel del tálamo y del tronco del encéfalo. La existencia de mecanismos neurales que reducen la sensibilidad al dolor, de modo que la información nociceptiva puede ser modulada tanto por las aferencias sensoriales nociceptivas que recibe la médula espinal como por la activación de vías descendentes procedentes de diferentes estructuras del encéfalo que alcanzan la médula espinal y el tronco del encéfalo. Las fibras nociceptivas llegan al asta dorsal de la médula espinal (Figura 11.29) donde establecen sinapsis con diferentes tipos de neuronas, parte de cuyos axones constituyen las vías ascendentes que transmiten la información nociceptiva a centros superiores del SNC (sistema anterolateral). De las vías que constituyen este sistema, el tracto espinotalámico se sabe que su lesión causa un déficit en la sensación de dolor y su estimulación la produce. En la localización del dolor interviene el sistema lemniscal. No parece existir una organización de las aferencias nociceptivas a la corteza cerebral similar a la de los mapas somatotópicos de las aferencias táctiles. Los núcleos talámicos que reciben información nociceptiva desde las neuronas espinales proyectan difusamente a diferentes regiones de la corteza somatosensorial.


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Hay mecanismos en el SN que modulan la transmisión del dolor y modifican la reacción emocional al mismo. Los factores emocionales, cognitivos y socioculturales pueden modificar la percepción del dolor y explicar la variabilidad de respuestas que damos a la estimulación nociceptiva. En la médula espinal, la actividad de las neuronas que reciben información nociceptiva podía ser modulada por otras aferencias sensoriales que convergen sobre ellas, concretamente, por la estimulación cutánea no nociceptiva, que es capaz de disminuir o bloquear el dolor. Esto es debido a que la estimulación de las fibras procedentes de los Mecanorreceptores hace disminuir la respuesta de las neuronas del asta doral a la información que llega a través de las fibras nociceptivas Figura 11.46 Circuito de modulación de la transmisión de información nociceptiva planteado por la Teoría del control de entrada.

La transmisión de la información sobre el dolor en las neuronas espinales parece no depende exclusivamente de las aferencias nociceptivas, sino de la interacción de éstas con otras fibras aferentes no implicadas directamente en la transmisión de información sobre el dolor. Se ha propuesto la existencia de un

circuito neural específico que modula la transmisión de la información nociceptiva que se conoce como Teoría del control de entrada del dolor. Desde diversos núcleos del encéfalo parten vías descendentes hasta la médula espinal que modulan la transmisión de la información sobre el dolor.


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Figura 11.47 Vías descendentes de modulación de la información nociceptiva.

La vía neural más importante está constituida por los axones que alcanzan la sustancia gris periacueductal (GPA) donde establecen sinapsis con las neuronas del núcleo reticular paragigantocelular (NRPG) y del núcleo magno del rafe (NMR). Los axones que parten de estos núcleos se dirigen hacia la médula espinal formando parte del fascículo dorsolateral y alcanzando el asta dorsal a diferentes niveles medulares, donde modulan la transmisión de la información nociceptiva. La existencia en el SNC de una serie de sustancias químicas que actúan como analgésicos endógenos, los péptidos opioides que se unen a receptores específico ampliamente distribuidos por todo el SNC, los receptores opioides2.

Existen diferentes tipos de péptidos opioides que se localizan en zonas implicadas en el procesamiento o modulación del dolor, entre ellas la GPA3. Las neuronas de la GPA reciben a su vez proyecciones descendentes que proceden de distintas zonas encefálicas como el hipotálamo, diferentes núcleos del tálamo, la amígdala y la corteza frontal.

2 Existen 3 clases principales de receptores a lo que se unen las sustancias opioides endógenas (y también exógenas), mu, delta y kappa y al menos dos de ellos, el mu y el kappa se encuentra implicados en el control nociceptivo a nivel medular. 3 Los péptidos opioides endógenos (y también las sustancias opiáceas) ejercen su efecto analgésico al inhibir la actividad de interneuronas inhibitorias de la sustancia gris periacueductal. Al suprimir la actividad inhibitoria ejercida por estas neuronas sobre aquellas que se encuentran en el NMR y en el NRPG, se activa esta vía descendente que suprime la transmisión de la información nociceptiva desde la médula espinal.


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Estas proyecciones proporcionan un sustrato neurobiológico que podría explicar la supresión del dolor que se da en determinadas situaciones. Los sistemas de analgesia son activados para permitir la realización de conductas de importancia biológica. Diversos factores cognitivos y emocionales ponen en marcha los circuitos neurales que pueden suprimir la percepción del dolor. El dolor puede ser inhibido en situaciones de estrés: analgesia inducida por estrés. FUNCIONES BIOLÓGICAS DE LOS SENTIDOS La función más evidente de los sistemas sensoriales es la de proporcionarnos información sobre el medio ambiente en que vivimos, lo que nos permite interaccionar con él. Otras funciones tienen el objetivo final de favorecer la adaptación del individuo a su entorno, lo que garantiza en definitiva su supervivencia. Fase cefálica: consiste en el conjunto de reflejos digestivos (secreción de saliva, de insulina, secreciones gástricas…) que se ponen en marcha al ser estimulados los receptores sensoriales, sobre todo del olfato y del gusto, junto con otros receptores sensoriales de la boca y del encéfalo. Los factores cefálicos correlacionan especialmente con la calidad de la comida: a mejor comida mayor amplitud de los reflejos cefálicos. Cuando se eliminan las sensaciones cefálicas asociadas a la ingestión mediante lesión nerviosa o por bloqueo farmacológico se eliminan también las diferencias en la respuesta cefálica. Por otro lado, el gusto sirve bastante bien a la función de seleccionar adecuadamente la dieta y existen 2 hechos que lo corroboran: lo que se conoce como hambres específicas y el fenómeno comportamental llamado aversión gustativa. La aversión gustativa consiste en que un animal aprende a evitar una comida determinada si en alguna ocasión su ingestión vino seguida al cabo de minutos o incluso horas, de sensaciones desagradables (mareos, vómitos). La aversión gustativa se basa en la asociación entre el sabor de la comida ingerida, sea el que sea, con el malestar posterior. La selección natural es la responsable de que la gratificación por ingerir alimentos que contienen elementos esenciales de los que el organismo


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está falto sea mayor que cuando se ingieren estos mismos alimentos en situaciones normales de dieta equilibrada habitual. El gusto es esencial para el control de lo que ingerimos, pero también el olfato desempeña una función relevante en la adquisición de la aversión gustativa. El olfato juega un papel protagonista en el despliegue de la conducta sexual de casi todos los mamíferos, incluido el hombre. Las sustancias odoríferas o feromonas son mensajeros químicos que interactúan con receptores específicos desencadenando determinados procesos fisiológicos o promoviendo conductas específicas. Las feromonas afectan directamente a la secreción de hormonas hipotalámicas e hipofisarias. Las proyecciones límbicas del sistema olfatorio humano pueden explicar el efecto que las feromonas tienen en nuestra especie.

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Resumen temas 8 al 11 psicobiología