Curador: Ichiji Tasaki
Eugene M. Izhikevich
El proceso de excitación y conducción en las fibras nerviosas mielinizadas de los vertebrados se caracteriza por ser discontinuo y saltado. Sin duda, estos rasgos distintivos se derivan de las siguientes propiedades histológicas y fisiológicas de estas fibras nerviosas.
- La vaina de mielina que recubre el eje-cilindro de estas fibras nerviosas se interrumpe de forma más o menos regular en cada nodo de Ranvier.
- El flujo de la corriente eléctrica en y alrededor de estas fibras nerviosas está restringido por el aislamiento del eje-cilindro con la vaina de mielina.
- La capa cortical del eje-cilindro en el nodo de Ranvier es capaz de producir potenciales de acción de una manera de todo o nada en respuesta al paso de la corriente eléctrica dirigida hacia el exterior.
- El potencial de acción producido en un nodo de Ranvier genera un impulso de corriente fuerte dirigida hacia el exterior en los nodos vecinos.
Contenidos
- 1 Vaina de mielina y nodos de Ranvier
- 2 Aislamiento eléctrico del eje-cilindro por la vaina de mielina
- 3 Flujo capacitivo de corriente a través de la vaina de mielina
- 4 Corriente interna asociada a la excitación de un nodo de Ranvier
- 5 Producción de potenciales de acción de todo oninguno por un único nodo de Ranvier
- 6 Margen de seguridad en la conducción nerviosa
- 7 Conducción salatoria – Una narración histórica
- 8 Referencias
- 9 Ver también
Vainas de mielina y nodos de Ranvier
Aislamiento eléctrico del eje-cilíndrico por la vaina de mielina
En 1934, poco después del desarrollo de la técnica de aislamiento quirúrgico de una fibra nerviosa motora que inervaba el músculo gastrocnemio del sapo en el laboratorio de G. Kato, M. Kubo y S. Ono descubrieron que la vaina de mielina ejerce una fuerte influencia sobre la eficacia de un impulso de corriente estimulante.
Al medir las intensidades del umbral de los pulsos de corriente suministrados a una fibra nerviosa que flota en una piscina poco profunda de solución salina mediante el uso de un electrodo de pipeta, se encontró que el umbral alcanza un mínimo agudo cuando el cátodo estimulante se coloca cerca de uno de los nodos y un máximo agudo cuando la punta del electrodo está en el punto medio entre dos nodos vecinos. De los extensos análisis de este y otros resultados experimentales posteriores, se deducen las siguientes conclusiones.
- La resistencia óhmica de la vaina de mielina es muy alta.
- El proceso de excitación es provocado desde una fibra nerviosa por un flujo de corriente hacia fuera en el nodo.
Flujo capacitivo de corriente a través de la vaina de mielina
Poco antes de la Segunda Guerra Mundial, se descubrió que era posible registrar las corrientes de acción derivadas de un segmento corto de una fibra nerviosa dividiendo la solución salina circundante en piscinas independientes mediante el uso de estrechos espacios de aire. (Véase la Figura 2.)
El registro de la izquierda en la figura muestra el curso temporal de la corriente que atraviesa una región corta mielinizada de una fibra nerviosa en el momento en que un impulso pasa por la región. Obsérvese que el intervalo entre los dos picos de la corriente transitoria de salida coincide con el tiempo de conducción internodal (~2mm / 20mm por mseg). Evidentemente, estos dos picos son producidos por el flujo capacitivo de la corriente a través de la vaina de mielina en asociación con el inicio de un potencial de acción en el nodo \(N_{1}\) y en \(N_{2}\) en el diagrama superior. De este y otros experimentos relacionados, se concluye que la vaina de mielina se comporta como un simple condensador eléctrico con una alta resistencia paralela.
Corriente de entrada asociada a la excitación de un nodo de Ranvier
La figura 2, a la derecha, muestra el curso temporal de la corriente de acción que atraviesa la superficie de una porción corta de una fibra nerviosa que incluye un nodo de Ranvier (\(N_{1}\)). Se registra en el momento en que un impulso atraviesa la porción. Evidentemente, la primera desviación hacia arriba representa la corriente dirigida hacia el exterior asociada al desarrollo de un potencial de acción en el nodo proximal (\(N_{0}\)).
Examinando el efecto de una solución anestésica añadida al pool distal y al pool medio de solución salina, se demostró que la aguda deflexión hacia abajo representa la corriente dirigida hacia el interior iniciada por la aparición de un potencial de acción en el nodo medio (\(N_{1}\)) y terminada por la aparición de un potencial de acción en el nodo distal (\(N_{2}\)).
Producción de potenciales de acción todo o nada por un único nodo de Ranvier
Los potenciales de acción desarrollados por un único nodo de Ranvier pueden registrarse conectando la porción distal de una fibra nerviosa aislada a un amplificador con una alta impedancia de entrada, seguido de la anestesia de todos los nodos en el lado proximal del nodo en estudio. (Véase la Figura 3.)
Aquí, las respuestas eléctricas se provocan desde el nodo \ {{1}} mediante la entrega de breves pulsos de voltaje entre la piscina de solución salina normal (en la que \{1}}está sumergido) y la parte proximal de la fibra (separada de la piscina que contiene solución salina normal por un estrecho espacio de aire). Los potenciales de acción observados son de unos 110 mV de amplitud y tienen una fase de subida abrupta y una fase de bajada gradual, seguida finalmente por una caída ligeramente acelerada del potencial al final. Obsérvese que los potenciales de acción de tamaño completo se producen de una manera de todo o nada cuando el potencial dentro del nodo se eleva al nivel de umbral (aproximadamente 20 mV en el presente caso) por los pulsos aplicados.
Margen de seguridad en la conducción nerviosa
La producción de un potencial de acción en un nodo de una fibra nerviosa va acompañada de un flujo de corriente que circula localmente entre el nodo excitado y el nodo vecino en reposo. Se ha demostrado repetidamente que la corriente de salida generada en el nodo vecino es mucho más intensa que el nivel necesario para excitar un nodo en estado de reposo. En otras palabras, el proceso de reestimulación sucesiva de los nodos por la corriente local (Strömchen, Hermann, 1879) procede con un margen de seguridad considerable. Hay que recordar a este respecto que el flujo capacitivo de la corriente a través de la vaina de mielina impone un estricto límite inferior al tiempo necesario para que el proceso de excitación (es decir, el cambio brusco de la f.e.m.) salte de un nodo al siguiente.
Conducción salatoria – Una narración histórica
En el invierno de 1938, el autor (I. Tasaki) proseguía el estudio del efecto de los anestésicos sobre fibras nerviosas individuales aisladas en el laboratorio de fisiología de la Universidad de Keio en Tokio. En ese momento, sobre la base de experimentos anteriores en fibras nerviosas individuales mediante el uso de la técnica de la estimulación tripolar, había una amplia evidencia que indicaba que la fibra nerviosa está aislada eléctricamente por la vaina de mielina y también que un impulso nervioso de propagación se genera por un flujo de corriente hacia fuera a través de la superficie no aislada del eje-cilindro en los nodos de Ranvier.
Una noche, el autor decidió examinar el efecto de una solución de cocaína-Ringer 3 mM aplicada a una porción corta – incluyendo un solo nodo de Ranvier – de una preparación de fibra nerviosa motora-gastrocnemio. Para comprobar la excitabilidad del nodo antes y después de la aplicación del anestésico, se adoptó la técnica de estimulación tripolar como se hizo anteriormente.
Inmediatamente después de la aplicación de la solución de cocaína-Ringer al nodo único, se corroboró que la concentración de cocaína utilizada era lo suficientemente alta como para hacer que el nodo en estudio fuera completamente inexcitable. Cuando se probó el efecto de una descarga estimulante aplicada a la fibra nerviosa, se observó sorprendentemente, con gran emoción, que la solución anestésica no provocaba ningún bloqueo de la conducción. Es decir, un impulso nervioso evocado en la porción proximal de la fibra fue conducido a través de un nodo totalmente inexcitable hasta la porción distal de la fibra. Enseguida surgió la siguiente pregunta intrigante: ¿cómo puede viajar un impulso nervioso a través de una región no excitable de una fibra nerviosa?
En aquella época, la mayoría de los fisiólogos aceptaban la suposición de que los impulsos nerviosos viajaban continuamente en el interior del eje-cilindro. Cuando salió a la luz el sorprendente hecho experimental expuesto anteriormente, quedó inmediatamente claro que había que cuestionar la validez de esta vieja suposición ampliamente aceptada.
Los experimentos posteriores revelaron los siguientes hechos:
- Cualquier lesión mecánica u osmótica infligida a la región anestesiada bloquea rápidamente la conducción nerviosa a través de la región.
- La aplicación de la solución anestésica exclusivamente al segmento mielinizado de una fibra nerviosa no produce ningún cambio significativo en la excitabilidad de la fibra.
- Cuando se anestesia una porción de la fibra que incluye dos ganglios sucesivos, se produce ocasionalmente un bloqueo de la conducción.
- Cuando se incluyen tres o más ganglios en la región fuertemente anestesiada, no se observa conducción de impulsos nerviosos a través de la región.
No fue difícil conseguir una comprensión razonable de todos estos hallazgos experimentales. Poco antes de que se realizaran estos experimentos, A L. Hodgkin (1937) examinó el mecanismo del bloqueo de la conducción inducido por la compresión mecánica del nervio ciático de la rana (tronco) y explicó los resultados obtenidos sobre la base de la teoría de la corriente local de Hermann. De ello se desprende que la teoría de Hermann ofrece una explicación totalmente satisfactoria de todos los resultados experimentales expuestos anteriormente. La explicación defendida es la siguiente.
«Un potencial de acción producido por el nodo sumergido en solución normal de Ringer genera un flujo de corriente dirigido hacia el exterior en los nodos vecinos. Esta corriente es tan fuerte que, incluso después de sufrir una atenuación progresiva en la región anestesiada que incluye uno o dos ganglios, sigue siendo capaz de excitar el primer ganglio normal en el lado distal de la región anestesiada. El bloqueo de la conducción tiene lugar cuando la corriente de salida que surge del nodo normal proximal se convierte en subumbral para el nodo del lado distal de la región anestesiada.»
De hecho, midiendo las intensidades de umbral de las descargas eléctricas de prueba aplicadas al nodo distal, se demostró de forma decisiva que la corriente esperada, apenas subumbral, atraviesa el nodo distal cuando el bloqueo de la conducción tiene lugar realmente. Además, se aportaron pruebas para demostrar que la solución salina fuera de la fibra nerviosa está directamente implicada como vía de la corriente en el proceso de reestimulación de los nodos sucesivos. El manuscrito que describía todas estas primeras observaciones sobre la conducción salatoria se envió a los Estados Unidos y se publicó en el American Journal of Physiology en 1939.
Durante los años siguientes, el autor repitió, confirmó y amplió esas primeras observaciones registrando las corrientes de acción de fibras nerviosas individuales aisladas con un osciloscopio de rayos catódicos que el propio autor construyó. Cuando llegó el momento de publicar los nuevos resultados, hubo que superar una nueva dificultad derivada de la agitada situación mundial de la época. Debido a la imposibilidad de publicar el nuevo material en los Estados Unidos, los dos primeros manuscritos (escritos en alemán) tuvieron que ser enviados a Frankfurt, Alemania, a través del ferrocarril siberiano. Cuando la ruta siberiana dejó de estar disponible en 1941, los manuscritos fueron enviados a Frankfurt por submarino vía Sudamérica.
Mucho tiempo después del final de la guerra, se supo que todos los manuscritos enviados a Alemania fueron aceptados y publicados por el Pflügers Archiv. Aproximadamente en esa época, se recibió en Tokio la noticia de que A F.Huxley y R.Stämpfli habían realizado nuevos experimentos sobre la conducción salatoria.
Mucho más tarde, aquí en los Institutos Nacionales de Salud, se midieron los valores absolutos de la resistencia y la capacitancia de la vaina de mielina y de otras partes de la fibra nerviosa con un método razonablemente fiable (1955). Además, se pudo determinar con bastante precisión el curso temporal del potencial de acción desarrollado por un solo nodo de Ranvier (1956). Estos datos sirvieron de base para el análisis cuantitativo del fenómeno de la conducción salatoria en las fibras nerviosas mielinizadas (cf. Tasaki, 1982).
Ranvier, L. (1871) Contribution á l’histologie et á la physiologie des nerfs périphériques. C. R. 73, 1168-1171.
Hermann, L. (1879) Handbuch der Physiologie., Theil 1. 1-196, Vogel, Leibzig.
Kato, G. (1934) Microphysiology of Nerve, Maruzen, Tokyo.
Tasaki, I. (1939) Am. J. Physiol. 127: 211-227.
Tasaki, I., y Takeuchi, T, (1941) Pflügers Arch ges. Physiol. 244: 696-711; y (1942) 245; 764-782.
Huxley, A. F., y Stämpfli, R. (1949) J. Physiol. 108: 315-339.
Hodgkin, A. L. (1937) J. Physiol. 90: 183 – 232.
Tasaki, I. (1982) Physiology and Electrochemistry of Nerve Fibers, Academic Press,New York.
Ver también
Electrofisiología, Neurona, Excitabilidad neuronal