“¡Nosotros no construimos representaciones definitivamente! La mente es
actividad en el tiempo, el tiempo real de las causas realmente físicas”
Clark Andy - 2001
CAPITULO III: FUNDAMENTOS BIOFISICOS
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CAPITULO III: FUNDAMENTOS BIOFISICOS 3. INTRODUCCION
El aprendizaje está asociado a situaciones de contenido emocionalmente
significativo, que se registra en los sistemas cerebrales de memoria de manera
más constante y persistente. Es muy posible que en su procesamiento
intervengan mecanismos análogos para la formación de memorias estables.
Esto significa que la manipulación emocional del estímulo puede ser utilizada
para provocar cambios en la plasticidad cerebral que se traduzcan en
incrementos de las posibilidades cognitivas.
Los circuitos neuronales que están involucrados en la expresión
emocional mantienen una relación con las conductas motivacionales y
conservan su propia identidad. Ambos interactúan entre sí e influyen
decisivamente sobre la corteza prefrontal, involucrada en la MCP, y demás
áreas corticales y núcleos subcorticales e hipocámpicos implicados en el
desarrollo de MLP. Estas son las bases neurobiológicas que explican las
experiencias habituales, las cuales muestran la evidente relación entre
actividad informativa e intelectual en el sujeto. [13], [18]
3.1. EL CEREBRO: UN SISTEMA COMPLEJO
El cerebro es un sistema extremadamente complejo, su peso oscila tan
sólo entre 1300 y 1500 gramos, contiene unos 11 billones de células nerviosas
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especializadas o neuronas, capaces de recibir, procesar y transmitir las
señales electroquímicas de las que dependen todas nuestras sensaciones,
acciones, pensamientos y emociones. Pero no es el elevado número de
neuronas individuales lo más relevante de nuestro cerebro, sino cómo están
organizadas e interconectadas.
Estudiar el diagrama de conexiones del cerebro es una tarea enorme, a
pesar de que en muchas áreas del cerebro se ha logrado establecer que las
interconexiones entre las neuronas no se hacen al azar, sino que siguen leyes
bastante definidas.
Tarea igual de compleja es determinar cómo funcionan las distintas
estructuras del cerebro y cómo se acoplan entre ellas. El cerebro procesa la
información en diferentes escalas espacio – temporal. Se dan interacciones a
nivel sináptico, entre grupos de neuronas de diversos tamaños y entre áreas
cerebrales. [3], [12], [13], [17]
3.1.1. ESTRUCTURAS Y FUNCIONES DEL CEREBRO
La información que se presenta en esta sección, fue obtenida de los
textos [3], [8], [11], [13], [17]. Para una información más detallada sobre las
distintas estructuras del cerebro y sus funciones se sugieren tales referencias.
El cerebro es un órgano muy complejo de aproximadamente dos
centímetros de espesor y una superficie aproximadamente de 21600 cm . En la
cavidad craneana, la corteza se encuentra densamente plegada, formando por
dos hemisferios laterales y un gran surco que une ambos hemisferios
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denominado cuerpo calloso. El cerebro externamente posee una cara externa,
interna e inferior.
La cara externa (Figura 3.1) posee dos grandes fisuras llamadas cisura
horizontal o de Silvio y una cisura perpendicular o de Rolando. Una tercera
fisura, va desde la prolongación de la cisura perpendicular interna (cara
interna) hasta el borde externo del hemisferio llamada cisura perpendicular
externa. Estas tres cisuras dividen la cara externa del cerebro en cuatro
lóbulos:
� Frontal: desde el polo frontal hasta la cisura de Rolando. Está relacio-
nado con el lenguaje, la inteligencia, la personalidad, y el control del
movimiento.
� Parietal: el cual tiene como límites por delante la cisura de Rolando,
por detrás la cisura perpendicular externa, por debajo la cisura de
Silvio. Se asocia con los sentidos del tacto y el equilibrio.
� Temporal: entre las cisuras de Silvio y la perpendicular externa. Está
asociado con la sensación auditiva, así como con ciertos aspectos del
aprendizaje, la memoria y la emoción.
� Occipital: por detrás de la cisura perpendicular externa. Se reciben y
analizan las informaciones visuales.
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Figura 3.1: Corteza cerebral [Fuente: Diamond M. C., Scheibel A. B., Elson L. M. (1996): El Cerebro Humano]
La cara interna: posee las cisuras callosomarginal, la calcarina y la
perpendicular interna de la subdivisión, Figura 3.2. Consta de la circunvolución
frontal interna, lóbulo paracentral, circunvolución del cíngulo, lóbulo
cuadrilátero o precuña y el lóbulo de la cuña o cuña. En ésta cara también se
puede distinguir el cuerpo calloso, el surco anterior (que une el núcleo
amigdaloide con el área olfatoria), el quiasma óptico (unión de los nervios
ópticos), la hipófisis, los cuerpos mamilares y el surco posterior.
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Figura 3.2: División anatómica de la cara interna del cerebro [Fuente: Diamond M. C., Scheibel A. B., Elson L. M. (1996): El Cerebro Humano]
La cara inferior: presenta el inicio de la cisura de Silvio que divide la cara en
dos lóbulos, Figura 3.3. El lóbulo orbitario presenta los surcos interno
(olfatorio), externo y el surco en H, los cuales lo subdividen en las
circunvoluciones olfatorias interna y externa, orbitaria externa y medias. Y el
lóbulo temporo-occipital presenta los surcos tempero-occipitales superior e
inferior los cuales lo subdividen en las circunvoluciones superior o fusiforme,
inferior e hipocampo.
Tálamo
Hipófisis
Cerebelo
Cuerpo calloso Circunvolución
del cíngulo
Amígdala
Hipocampo Hipotálamo
Circunvolución
frontal interna
Lóbulo
paracentral
Precuña
Cuña
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Figura 3.3: Cara inferior del cerebro [Fuente: Diamond M. C., Scheibel A. B., Elson L. M. (1996): El Cerebro Humano]
La corteza cerebral, Figura 3.4 está dividida por una cisura longitudinal
en dos partes: derecha e izquierda, denominadas hemisferios cerebrales, que
son simétricos, como una imagen vista en un espejo. Ambos hemisferios se
encuentran interconectados a través del cuerpo calloso, que es un
conglomerado de fibras nerviosas blancas por la que transfieren información
de uno a otro. El hemisferio izquierdo (HI) tiene un comportamiento racional,
automático, lógico, analítico, de rápida capacidad de respuesta y repetitivo, se
va desarrollando paulatinamente con la acumulación de información que
registra en la memoria. El hemisferio derecho (HD) es imaginativo, ilógico,
intuitivo, innovador y creativo, es decir, que desde el nacimiento está casi
totalmente desarrollado.
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A continuación se analizará la anatomía del cerebro de sus principales
componentes, ellos son:
� El cerebelo: es la porción más grande del encéfalo. Tiene una estructura
muy sistematizada y homogénea en todo el órgano. La función más
importante del cerebelo es la coordinación de la actividad motora y de la
postura.
� El diencéfalo o cerebro intermedio: es una estructura situada en la parte
interna central de los hemisferios cerebrales. Se encuentra entre los
hemisferios y el tronco del encéfalo, y a través de él pasan la mayoría
de fibras que se dirigen hacia la corteza cerebral. Se compone de varias
partes: tálamo, hipotálamo, subtálamo y epitálamo.
o El tálamo es una estación de relevo y centro integrador de las
entradas sensoriales a la corteza. Se cree que también regula el
nivel de conciencia y los aspectos emocionales de las sensaciones.
o El hipotálamo se considera como la interfaz cerebral con los
sistemas hormonal y autónomo que controlan la homeóstasis interna
del cuerpo.
� El sistema límbico ocupa una porción cortical y una porción subcortical.
Se encarga de las funciones relacionadas con la emoción, la motivación,
el aprendizaje y ciertos tipos de memoria. Dos subestructuras del
sistema límbico son el hipocampo y las amígdalas cerebrales.
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o El hipocampo juega un papel importante en la consolidación de la
memoria y el aprendizaje, y participa en los procesos de atención y
alerta.
o Las amígdalas cerebrales: forman parte del sistema endocrino, el
cual está formado por un conjunto de glándulas que sintetizan
hormonas y las liberan al torrente sanguíneo. Las glándulas
endocrinas controlan una gran cantidad de funciones fisiológicas del
organismo como el metabolismo, la homeostasis, el crecimiento, la
reproducción, el dolor, etc., pero también están involucradas en la
conducta humana, concretamente en las emociones, la memoria, el
aprendizaje o incluso en las patologías como la depresión, la
ansiedad o la anorexia nerviosa.
� Los ganglios basales son cinco núcleos altamente interconectados:
caudado, putamen, globo pálido, núcleo subtalámico y sustancia negra.
Los ganglios basales se considera que están implicados en aspectos
cognitivos superiores del control motor y en otras muchas funciones.
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Figura 3.4: Estructura anatómica del cerebro [Fuente: Biology Courses - http://www.biology.eku.edu/]
A pesar de su complejidad, la gran cantidad de circunvoluciones y
aproximadamente 1010 neuronas densamente interconectadas, la corteza
cerebral tiene un conjunto de características anatómicas y funcionales que
facilitan la elaboración del modelo permitiendo estudiarlo teóricamente.
Algunas de estas características son:
1. Es un órgano estratificado que consta de seis capas horizontales de
distintas densidades, además la corteza es bastante uniforme en el
plano determinado por cada capa.
2. Tiene una organización columnar, es decir las neuronas se agrupan
por columnas de diversos tamaños (mini columnas, columnas y
macro columnas corticales) que se superponen y se orientan
perpendicularmente a la superficie cortical.
Lóbulo temporal
Hipotálamo
Fisura longitunial
Lóbulo parietal HI HD
Cisura longitudinal
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3. La corteza cerebral está mucho más densamente interconectada
consigo misma que con otras estructuras del cerebro. La estructura
que tiene más conexiones con la corteza es el tálamo y éste
contribuye con el 1% de las conexiones que tiene la corteza.
3.2. SISTEMA NERVIOSO (SN)
Para estudiar el cerebro es imprescindible hacerlo teniendo en cuenta
donde se inserta el sistema nervioso. Este está constituido por el tejido
nervioso del organismo y los elementos de soporte asociados, tal como se
muestra en la Figura 3.5. [7], [8]
Desde el punto de vista estructural o anatómico, el sistema nervioso se
divide en Sistema Nervioso Central (SNC) formado por el cerebro y la médula
espinal y el Sistema Nervioso Periférico (SNP) comprende los nervios, ganglios
y receptores especializados. Y desde el punto de vista funcional, el sistema
nervioso se divide en Sistema Nervioso Somático (SNS) es el que responde o
relaciona el organismo con el medio externo y el Sistema Nervioso Autónomo
(SNA) está en relación con el medio interno orgánico, realizando funciones
propias de regulación y adaptación internas. Ambos sistemas no actúan
independiente, sino que se hallan interrelacionados y cooperan entre sí.
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Figura 3.5: Sistema nervioso [Fuente: Diamond M. C., Scheibel A. B., Elson L. M. (1996):
El Cerebro Humano]
La función del SN consiste en recibir los estímulos que le llegan tanto
del medio externo como interno del organismo, organizar esta información y
hacer que se produzca la respuesta adecuada. Los estímulos procedentes del
medio externo son recibidos por los receptores situados en la piel, destinados
a captar sensaciones generales como dolor, tacto, presión y temperatura, y por
los receptores que captan sensaciones especiales como el gusto, la vista, el
olfato, el oído, la posición y el movimiento.
Las señales (o impulsos) que llegan al SNP, se transmiten a partir de
estos receptores al SNC, donde la información es registrada y procesada
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convenientemente. Una vez realizado esto, las señales son enviadas desde el
SNC a los distintos órganos a fin de proporcionar las respuestas adecuadas.
3.3. LA NEURONA Y SU FISIOLOGÍA
Tanto el SNC como el SNP están constituidos por el tejido nervioso, que
es el conjunto de células nerviosas denominadas neuronas y células no
nerviosas denominadas neuroglia; éstas pueden codificar información,
conducirla a lo largo de importantes distancias y transmitirla a otras células
nerviosas o no. Los temas expuestos en esta sección se pueden encontrar en
[3], [6], [8], [9], [10], [11], [13], [22].
Las neuronas presentan una gran variedad de formas y tamaños, ver
Figura 3.6, pero en todas ellas se pueden identificar cuatro partes:
a) El cuerpo celular o soma: es el centro metabólico de la neurona y el
lugar donde se procesa la información. Su diámetro varía de 5 a µ100
b) Las dendritas: son el centro receptor de la información de la neurona.
Por lo general, la neurona recibe la información (en su mayor parte de
tipo eléctrico) a través de las dendritas, aunque algunas veces la
recibe directamente a través del cuerpo celular.
c) El axón: es una fibra nerviosa que nace del cuerpo celular y es el
encargado de transportar las señales que genera la neurona, en
ocasiones transportando la señal a distancias considerables. El
diámetro de los axones en el ser humano, varía de µ10. a µ20 .
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Frecuentemente los axones están envueltos en una vaina grasa,
denominada mielina. La vaina está dividida por espacios regulares sin
mielina, llamados nodos de Ranvier. La misión de la vaina de mielina
es aumentar la velocidad de propagación de las señales generadas por
la neurona.
d) Los terminales axónicos o sinápticos: constituyen los elementos de
transmisión de la neurona. A través de ellos una neurona contacta y
transmite la información a la zona receptora de otra neurona. La zona
de contacto se llama sinapsis y por lo general la zona postsináptica se
ubica en las dendritas, aunque también ocurren contactos sinápticos
en el cuerpo celular de la neurona y algunas veces en el axón de la
neurona. Existen aproximadamente 410 contactos sinápticos por
neurona.
Por otro lado, las neuronas son células que poseen dos grandes y
notables propiedades como son: la irritabilidad, que le confiere a la célula la
capacidad de respuesta a agentes físicos y químicos con la iniciación de un
impulso, y la conductibilidad, la cual le proporciona la capacidad de transmitir
los impulsos de un sitio a otro. El grado en que estén desarrolladas estas dos
propiedades protoplasmáticas en las neuronas, junto con la gran diversidad de
formas y tamaños de los cuerpos celulares y la longitud de sus prolongaciones
distingue a este tipo de células de otras.
CAPITULO III: FUNDAMENTOS BIOFISICOS
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Figura 3.6: Neurona biológica
[Fuente: Biology Courses - http://www.biology.eku.edu/]
En condiciones de reposo, la neurona está polarizada de manera tal que
el interior tiene un potencial de mV70− , considerando que la superficie
externa de la membrana es el nivel de referencia, es decir, tiene potencial
cero. Este potencial de la neurona es llamado potencial de reposo de la
membrana. El potencial de reposo puede variar, dependiendo del tipo de
neurona, pero el interior de la membrana de la neurona queda siempre
cargado negativamente con respecto al exterior de la misma. Además este
potencial puede cambiar en respuesta a diversos estímulos.
CAPITULO III: FUNDAMENTOS BIOFISICOS
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La neurona recibe la información de otras neuronas a través de las
dendritas. Esta información se presenta como un cambio en el potencial
eléctrico en las dendritas; que llamaremos potenciales postsinápticos. Estos
potenciales son de naturaleza local, pasivos y disminuyen en intensidad
progresivamente y no se detectan más allá de 1 o 2 mm del sitio de origen. El
cuerpo celular los suma espacial y temporalmente, y cuando se alcanza un
cierto umbral, la neurona genera una señal llamada potencial de acción. Esta
señal es un impulso eléctrico que se propaga por el axón hasta los terminales
axónicos, donde la despolarización produce la liberación de neurotransmisores
que se propagan a través del espacio sináptico y afectan a la membrana
postsináptica. Esta afectación, modifica el estado eléctrico de la membrana y
puede ser de tipo excitatorio despolarizándola y así ayudar a la neurona
receptora a que genere más fácilmente un potencial de acción, o de tipo
inhibitorio que tiene el efecto contrario. Estos potenciales postsinápticos serán
llamados potenciales excitatorios postsinápticos (PEPS) si excitan a la neurona
y potenciales inhibitorios postsinápticos (PIPS) si la inhiben.
La señal que genera una neurona, es decir, el potencial de acción tiene
las siguientes propiedades:
1. Se propaga activamente a lo largo del axón.
2. No disminuye su intensidad en función de la distancia.
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3. Es semejante en todas las neuronas. Su velocidad de propagación
depende del diámetro del axón y de su mielinización.
4. La mayoría de las neuronas generan un potencial de acción cuando el
estímulo aplicado es despolarizado. La magnitud del estímulo debe ser
mayor que un cierto valor crítico, llamado el umbral de disparo de la
neurona. Este umbral depende de la neurona y aún en la misma
neurona puede cambiar. También existen neuronas que generan un
potencial de acción cuando el estímulo aplicado es hiperpolarizado y
de cierta duración.
5. Si el mismo estímulo aplicado a la neurona, se mantiene durante un
cierto tiempo, el umbral de disparo de la neurona disminuye.
6. Una vez que se genera un potencial de acción, la neurona es incapaz,
durante cierto tiempo, de generar un nuevo potencial de acción,
independientemente de la magnitud del estímulo que se le aplique; en
este caso se dice que la neurona está en estado refractario. Al tiempo
que dura la neurona en estado refractario se le llama período
refractario absoluto. Existe un intervalo de tiempo, llamado período
refractario relativo, durante el cual el umbral de disparo de la neurona
aumenta y con esto dificulta la generación de nuevos potenciales de
acción. El período refractario absoluto de una neurona determina la
frecuencia de generación de potenciales de acción.
7. Un potencial de acción se puede generar mediante estímulos de
corriente que varíen linealmente con el tiempo, con tal que la pendiente
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sea mayor que un cierto valor crítico. Si la pendiente es menor que
este valor crítico, no se genera ningún potencial de acción, sin importar
qué tan grande sea la despolarización de la membrana. A esta
propiedad de la membrana se le llama acomodación.
3.4. NEUROTRANSMISORES
En el SNC, las neuronas se comunican entre sí liberando mensajeros
químicos denominados neurotransmisores (léase NT), cuyos mecanismos
permiten o modulan el funcionamiento del SNC.
Las neuronas de varios de estos sistemas reguladores y /o moduladores
están densamente agrupadas en núcleos, cuya mayor parte se encuentran en
el tronco del encéfalo, que consiste de una sustancia negra y área segmental
ventral para la dopamina, el locus coeruleus para la noradrenalina (contiene
solamente 30.000 neuronas noradrenérgica), los núcleos del rafe para la
serotonina (unas 250.000 neuronas serotoninérgica), Figura 3.7.
Los cuerpos de éstas neuronas generalmente se localizan en el tronco
del encéfalo y áreas diencefálicas, y sus axones largos y profusamente
ramificados alcanzan prácticamente todas las estructuras cerebrales. Como
consecuencia, muy pocas neuronas consiguen inervar áreas muy extensas,
debido a que ellas se proyectan sobre amplias zonas anteriores del cerebro.
Además, cada sistema de neurotransmisión cuenta con una amplia diversidad
de receptores de membrana acoplados a distintos mecanismos de acción, lo
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93
cual proporciona una amplia versatilidad para efectuar diversas respuestas
biológicas.
Desde el punto de vista funcional, estos sistemas de NT moduladores se
relacionan con la memoria y el aprendizaje. Además, están vinculados con la
función de los neuromoduladores que están relacionados con la motivación,
percepción, atención, regulación de funciones orgánicas, funciones motoras,
movimientos y algunas patologías, etc. [13], [21], [22]
Figura 3.7.: Neurotransmisor [Fuente: Biology Courses - http://www.biology.eku.edu/]
3.5. SINAPSIS
Sherrington Charles S. (1857 – 1952) define la Sinapsis como la zona
de contacto anatómico y funcional entre dos células, donde se produce la
transmisión de los potenciales de acción de una célula a otra. La transmisión
sináptica, tal se muestra en la Figura 3.8, es un mecanismo altamente
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sofisticado y eficiente que hace posible la comunicación entre 1210 neuronas
en el cerebro humano y con los efectores. [10], [16], [22]
Figura 3.8: Descripción del proceso de sinapsis [Fuente: Biology Courses - http://www.biology.eku.edu/]
Hay dos tipos de sinapsis:
• Sinapsis eléctricas: Es la transmisión de información que se produce
mediante el paso de corriente eléctrica de una célula a otra. Esta sinapsis
representa una pequeña fracción del total de las sinapsis existentes. Sus
propiedades son:
� Sin vesículas sinápticas (neurotransmisor).
� Presenta uniones nexo en la membrana presináptica y
postsináptica
� Espacio sináptico estrecho 3 mm
� Ausencia de retardo sináptico.
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� Los canales de comunicación se llaman conexinas,
� Resistencia eléctrica muy baja.
� Sinapsis bidireccional.
� Agente transmisor: corriente iónica.
� No hay despolarización y la dirección de la transmisión se
determina por fluctuación de los potenciales de membrana de las
células interconectadas.
� Función fisiológica que genera respuesta muy rápida.
• Sinapsis químicas: son los contactos por donde se transmiten las señales
de neuronas a neuronas que producen la liberación del NT desde el
elemento presináptico en el terminal axónico, provocando cambios en el
elemento postsinápticos de la neurona receptora.
Sus propiedades son:
� Presenta vesícula sináptica.
� No hay continuidad citoplasmática.
� Espacio sináptico llamado hendidura sináptica es amplio y oscila
entre 30 a 400 nm .
� Presenta retardo sináptico.
� Se requiere que la membrana postsináptica tenga receptores.
� Sinapsis unidireccional.
� Existe una sustancia química que es la responsable de la
transmisión de información llamada neurotransmisor químico.
CAPITULO III: FUNDAMENTOS BIOFISICOS
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3.5.1. SINÁPSIS EN EL SISTEMA NERVIOSO CENTRAL
En el SNC la situación es mucho más compleja, puesto que una única
neurona puede recibir un gran número de sinapsis tanto excitadoras como
inhibidoras, en diversas partes de su estructura. [3], [10], [16], [22]
Las sinapsis centrales podríamos clasificarlas desde el punto de vista
funcional en dos grandes grupos:
• Sinapsis excitadoras: son aquellas en las cuales la interacción entre el
NT y su receptor dará lugar a un potencial postsináptico excitador
(aquel que desplaza el potencial de membrana de la célula
postsináptica hacia valores menos negativos), en este caso el NT es
excitador.
En el SNC existe un gran número de NT excitadores, pero
probablemente el más abundante y el que tiene funciones fisiológicas
más importantes es el glutamato, que está implicado en procesos que
van desde el aprendizaje y memoria hasta la lesión neuronal producida
en situaciones de isquemia.
En general, la interacción de un NT excitador con su receptor produce
un aumento en la permeabilidad a los iones +Na y/o +2Ca en la célula
postsináptica, Figura 3.9.
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Figura 3.9: Generación de Sinapsis Excitadora. (a) un impulso que llega a los terminales presináptico causan la descarga del neurotransmisor. (b) Las moléculas unen la entrada de transmisión de los canales del ion en la membrana postsináptica. Si Na+ entra en la célula postsináptica a través de los canales abiertos, la membrana se despolarizará. (c) El cambio resultante en el potencial de membrana (Vm), es registrado por un microelectrón en la célula, es la sinapsis excitadora. [Fuente: Tortora G., Grabowski S. (2002) Principios de anatomía y fisiología. Oxford Univ. Press]]
• Sinapsis inhibidoras: son aquellas en las qué la activación del receptor
postsináptico por el NT dará lugar a un potencial postsináptico inhibidor
(el potencial de membrana se hace más negativo).
El prototipo de NT inhibidor en el SNC es el aminoácido GABA.
Generalmente, las sinapsis inhibidoras generan los potenciales
postsinápticos inhibidores mediante un incremento en la permeabilidad
al −Cl , Figura 3.10.
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Figura 3.10: Generación de Sinapsis Inhibidora. (a) un impulso que llega a los terminales presináptico causas la descarga del neurotransmisor. (b) Las moléculas unen la entrada de transmisión del canal de ion en la membrana postsináptica. Si Cl- entra en la célula postsináptica a través de los canales abiertos, la membrana se hiperdespolariza. (c) El cambio resultante en el potencial de membrana (Vm), es grabado por un micro electrón en la célula, es una Sinapsis
inhibitoria. [Fuente: Tortora G., Grabowski S. (2002) Principios de anatomía y fisiología. Oxford Univ. Press]]
3.6. POTENCIACIÓN Y DEPRESIÓN A LARGO PLAZO
La comunicación neuronal y su modulación no sólo afectan a las
funciones fisiológicas básicas, sino también a funciones psicológicas
superiores como el aprendizaje y la memoria. Esto es debido a que el SN
puede modificar continuamente su estructura y su dinámica para adaptarse a
las necesidades del medio ambiente. Las sinapsis no siguen un proceso, sino
que puede variar a causa de los patrones de actividad del organismo. En
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muchas sinapsis, una actividad repetitiva puede conducir no sólo a una
alteración de corto plazo, sino también a modificaciones que pueden durar
horas o días, e incluso volverse permanentes. Los dos fenómenos asociados a
estos cambios son conocidos como potenciación a largo plazo (LTP) y
depreciación a largo plazo (LTD).
� La LTP: se debe a un incremento en la concentración de calcio
tanto en la célula presináptica como en la postsináptica. En esta
última, el incremento en la concentración de Ca2+ conlleva una
modificación en el sistema de segundos mensajeros, lo cual
genera receptores adicionales en la membrana dendrítica con el
consecuente incremento de sensibilidad al NT que cruza la
hendidura sináptica.
� La LTD: parece presentarse en respuesta a un incremento más
pequeño de calcio en la célula postsináptica, lo que viene
acompañado por una sensibilidad menor en los receptores de la
membrana.
Ciertamente, la actividad repetitiva en el SNC puede producir cambios en
la eficacia sináptica mucho más prolongados que aquéllos que se ven en el
sistema periférico. Tales cambios se presentan en un gran número de zonas
del cerebro. La LTP fue descrita por primera vez en la década de los 70,
cuando los investigadores Bliss Timothy y Lomo Terje (1973) la observaron en
las sinapsis glutamaérgicas durante la formación del hipocampo. Esta
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100
estructura, localizada en el lóbulo temporal consiste en dos secciones
conocidas como hipocampal y giro dentado. Estos investigadores demostraron
que la estimulación de alta frecuencia en células del giro dentado produce un
incremento en la amplitud de sus potenciales de acción excitadores, y que ésta
se prolonga incluso durante días. [2], [3], [15]
Barrionuevo y Brown (1983) revelaron que la actividad repetitiva en una
terminal dendrítica de una neurona podría afectar la sensibilidad receptora de
otra terminal de la misma neurona que no ha sido activada. Este proceso,
conocido como potencial a largo plazo asociativo (LTPA), sugiere que los
mecanismos metabólicos involucrados en la LTP son realizados, al menos
parcialmente, en el soma neuronal. No obstante, se considera en que un factor
central, es la activación de transcriptores cuya acción resultante es el
incremento en la concentración de Ca2+ en el interior de la célula postsináptica.
[2]
En las células piramidales del hipocampo, se registra una entrada de
calcio a través de los receptores tipo NMDA (N-metil-D-aspartato), que posee
glutamato como enlace natural al NT. El NMDA es una proteína
transmembranal con propiedades particulares que le permiten intervenir
activamente en la modificación sináptica. Así, el receptor tipo NMDA posee la
inusual característica de permanecer bloqueado cuando la membrana se
encuentra bajo el potencial de reposo. Este bloqueo se debe a la ocupación de
los canales por parte de iones de magnesio provenientes del medio
extracelular, los cuales son eliminados de los canales al presentarse una
CAPITULO III: FUNDAMENTOS BIOFISICOS
101
despolarización de la membrana, lo que provoca que los canales tomen el
glutamato proveniente del botón axónico de la neurona presináptica. Los
receptores de este tipo poseen una alta conductividad de calcio, pero el
acceso de Ca2+ es dependiente de la despolarización de la membrana, de
modo que la estimulación debe ser lo suficientemente fuerte y sostenida como
para eliminar a los iones de magnesio, Figura 3.11.
Figura 3.11.: Mecanismo que subyacen a la potenciación a largo plazo. [Fuente: Purves, A., Hall F., LaMantia, W.: Neurociencia. pp 652]
Sin embargo, una de las formas más sencillas y claras de explicar el
fenómeno del LTP es señalar un incremento en la cantidad de NT que se
libera. En efecto, se ha observado un nivel más alto, a veces derivado de un
CAPITULO III: FUNDAMENTOS BIOFISICOS
102
mayor tamaño de las vesículas y otras veces por la cantidad de vesículas
liberadas. [3]
Entonces, ¿cómo una modificación de la membrana postsináptica puede
elevar la cantidad de NT involucrados en la sinapsis?
Si se piensa en la membrana postsináptica como un elemento estático, la
única explicación es el aumento del número vesículas que participan en el
proceso, pero las investigaciones muestran que en muchos LTP el número y
cantidad de vesículas presentes se mantiene invariable. La explicación radica
en la capacidad de la membrana postsináptica para modificar el tipo de
receptores con los que cuenta. En algunas espinas dendríticas no existen
receptores para ciertos NT, lo que hace que se presente una sinapsis
silenciosa, llamada así porque no hay ningún receptor que escuche al NT.
Como es lógico, en las sinapsis silenciosas no se produce ninguna respuesta
en la zona postsináptica.
Shi et al. (1999) ha encontrado que estas sinapsis silenciosas pueden
dejar de serlo después de una estimulación frecuente, al colocar receptores
que capten al NT. No sólo las sinapsis silenciosas se modifican en algunas
membranas postsinápticas donde conviven dos o más tipos de receptores, el
receptor encargado de recibir al NT estimulado puede incrementar su número
desplazando a otro tipo de receptor. Esto explica por qué el mismo número de
receptores liberados por las vesículas presinápticas altera la fuerza de la
respuesta en la célula postsináptica. [2], [3], [13]
CAPITULO III: FUNDAMENTOS BIOFISICOS
103
3.7. PLASTICIDAD CEREBRAL
La plasticidad cerebral, es la adaptación funcional del SNC para
minimizar los efectos de las alteraciones estructurales o fisiológicas, sin
importar la causa originaria. Ello es posible gracias a la capacidad que tiene el
SN para experimentar cambios estructurales - funcionales detonados por
influencias endógenas o exógenas, las cuales pueden ocurrir en cualquier
momento de la vida.
El cerebro humano cuenta con billones de neuronas interconectadas por
medio de múltiples sinapsis (capacidad instalada), muchas de ellas
multiplicadas o repetidas (redundancia). Las neuronas son células
postmitóticas, lo cual significa que no se reproducen a partir de sí mismas;
pero es posible observar cierta regeneración dendrítica y/o axónica después
de una lesión. Existen conexiones neuronales que incrementan su nivel de
actividad cuando ocurre la muerte de un grupo de neuronas que originalmente
lideraban una determinada función (desenmascaramiento compensatorio). A
los elementos anteriores siempre se asocian cambios en el balance excitatorio-
inhibitorio de un grupo de sinapsis, por pérdida de la influencia de los grupos
que pudieran estar afectados; con consecuencias locales y a distancia. La
eficiencia de la transmisión sináptica puede también modificarse
incrementando las funciones excitatorias de forma estable LTP o las
inhibitorias LTD. [1], [3], [15], [20]
CAPITULO III: FUNDAMENTOS BIOFISICOS
104
3.8. PLASTICIDAD SINAPTICA
La plasticidad sináptica es un fenómeno fisiológico que induce patrones
específicos de actividad neuronal, sostenidos por mecanismos químicos y
moleculares. Estos dan origen a cambios en la eficiencia sináptica y en la
excitabilidad neuronal que perdura por más tiempo que los eventos que los
originan. Esta plasticidad sináptica se puede dividir en tres grandes categorías:
� Plasticidad a largo plazo: implica cambios en unas horas o más. Se
piensa que este tipo de plasticidad juega un papel importante en los
procesos de aprendizaje y memoria.
� Plasticidad homeostática: se da a ambos lados de la sinapsis, permite a
los circuitos neuronales mantener los niveles apropiados de
excitabilidad y conectividad.
� Plasticidad a corto plazo: dura unos milisegundos o minutos, y permite
al SN procesar e integrar temporalmente la información, ya sea
amplificando o disminuyendo la capacidad de transmisión de los
circuitos sinápticos. [1]
3.8.1. EXPRESIÓN E INDUCCIÓN DE LA PLASTICIDAD
Las sinapsis transmiten información cuando un potencial de acción
presináptico produce la liberación de las vesículas que contienen el NT. Los
CAPITULO III: FUNDAMENTOS BIOFISICOS
105
NT se unen posteriormente a los receptores postsinápticos modificando así la
actividad de la neurona postsináptica. De este modo, la cantidad de NT
liberado depende de las características de la actividad presináptica y, por
tanto, las sinapsis pueden ser consideradas como filtros con propiedades
distintivas.
Las respuestas neuronales se describen típicamente por el tipo de
secuencias de potenciales de acción que producen; estas secuencias se usan
para caracterizar la información contenida en la respuesta neuronal y son la
base de todos los estudios sobre el código neuronal.
Las sinapsis de una misma neurona pueden expresar diferentes formas
de plasticidad. Además, las conexiones entre las neuronas pueden ser
consideradas a veces como lugares individuales de liberación de NT, donde la
liberación del mismo es probabilística y la probabilidad de liberación es
modificada por la actividad neuronal a través de la plasticidad a corto plazo. Es
decir, la fortaleza sináptica, que está determinada en parte por la probabilidad
de liberación, está continuamente modificada por la ocurrencia temporal de los
potenciales de acción (Figura 3.12). Dada la naturaleza estocástica de la
transmisión, una neurona, al disparar una secuencia de potenciales de acción,
puede generar diferentes patrones de liberación de NT en cada una de sus
miles de terminales presinápticas. Por tanto, diremos que cada neurona no
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106
transmite solamente una señal, sino un gran número de señales diferentes al
circuito neuronal en el que opera (Figura 3.13). [1], [3], [5], [15], [20]
Figura 3.1 2: Patrones temporales definidos por los intervalos entre los potenciales de acción, influyen en la interacción de varios procesos
sinápticos. [Fuente: Purves, A., Hall F., LaMantia, W.: Neurociencia]
Figura 3.1 3: Diferentes señales transmitidas por una misma neurona.
[Fuente: Purves, A., Hall F., LaMantia, W.: Neurociencia].
Se pueden identificar tres clases de inducción sináptica dependiendo de
la dirección del flujo de la información a través de la sinapsis:
� Feedforward: su inducción sólo depende de la actividad presináptica.
� Feedback: la inducción depende de la actividad de la neurona
postsináptica.
� Asociativa: la inducción depende tanto de la actividad presináptica
como de la postsináptica.
CAPITULO III: FUNDAMENTOS BIOFISICOS
107
3.8.2. FORMAS DE PLASTICIDAD
Las conexiones sinápticas no son fijas, sino que pueden cambiar
dependiendo de la actividad neuronal. A nivel celular, la plasticidad es una
modificación de la neurona debida a las características de los potenciales de
acción que se presentan en ella. La modificación en la neurona sólo se
presenta ante un tren de estímulos, es decir, ante un número de potenciales de
acción que recorren la célula en cierto lapso de tiempo. Si un tren de estímulos
invade una terminal, la cantidad de NT liberado en cada potencial de acción no
siempre permanecerá constante. Dependiendo de la neurona observada y de
las propiedades del tren de estímulos, se puede observar un progresivo
aumento o disminución en la cantidad de NT que se libera. Esta propiedad,
permite que la cantidad de NT se modifique como resultado de una actividad
previa en la terminal, que ha sido llamada plasticidad homosináptica.
Este tipo de plasticidad puede ser de tres tipos: facilitación, potenciación
y depresión. Tanto la potenciación como la facilitación implican un aumento de
la eficacia sináptica (fortalecimiento), mientras que la depresión implica una
disminución (debilitamiento).
� La facilitación: es el incremento progresivo en la cantidad de NT liberado
durante un tren de estímulos. Una hipótesis para explicar la facilitación
señala que este incremento se debe al calcio residual que permanece
en el citoplasma después de invadir a la neurona en cada potencial de
CAPITULO III: FUNDAMENTOS BIOFISICOS
108
acción. Puesto que este calcio residual no tiene el tiempo suficiente
para ser eliminado, queda siempre una pequeña cantidad que aumenta
a medida que los potenciales del tren de estímulos recorren la célula.
� La potenciación: es el incremento en la cantidad de NT liberado
después de que en la terminal se haya presentado un tren de estímulos.
En muchos casos, se observa que la potenciación no desaparece tras
varios minutos de haberse estimulado la terminal. Si este es el caso, se
dice entonces que se trata de una potenciación postetánico (PPT).
La PPT se explica mediante la función de las mitocondrias en la
terminal, además de proveer la energía necesaria para las funciones
celulares, la mitocondria desempeña un importante papel en la
homeostasis del calcio, funcionando como una esponja que absorbe y
libera calcio. Durante el tren de estímulos, el calcio que invade la célula
alcanza el citoplasma, donde es absorbido y almacenado en la matriz de
las mitocondrias. Durante los minutos siguientes, las mitocondrias
liberan el calcio, y éste se añade al de los potenciales de acción
aislados, produciéndose así una mayor liberación de NT. La PPT no
debe confundirse con la LTP, puesto que ésta última permanece
después del tren de estímulos durante más tiempo (minutos, horas y
hasta días) y, al parecer, tiene como base mecanismos moleculares
muy diferentes a la PPT.
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� La depresión sináptica: la progresiva disminución en la cantidad de NT
liberado durante un tren de potenciales de acción. Este fenómeno es
observado con frecuencia después de un largo e intenso tren de
estímulos, y muchas veces se debe a la depleción de las vesículas del
repositorio liberable de la neurona. A la proporción de vesículas que son
liberadas por un solo potencial de acción en condiciones normales se le
conoce como probabilidad de liberación, y varía enormemente a lo largo
del sistema nervioso. Existe una clara relación entre la probabilidad de
liberación y la presencia de depresión sináptica. Esto es debido a que
las terminales con una alta probabilidad de liberación tienden a sufrir
depresión después de una estimulación tetánica, mientras que las
terminales con baja probabilidad de liberación presentan, ante la misma
estimulación, facilitación y PPT. [1], [3], [11], [13], [19]
3.9. PLASTICIDAD NEURONAL
La plasticidad neuronal es la capacidad del cerebro para cambiar y
reorganizarse en respuesta a algún cambio en la entrada proveniente de una
fuente interna o externa. En función de su relación con la experiencia
Greenough W. y Black J. (1992) [5], clasificaron ésta plasticidad en las tres
categorías siguientes:
� Plasticidad independiente de experiencia: es aquélla en que los
cambios en el cerebro no se producen como resultado de la influencia
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del medio o de los cambios en el exterior. El cerebro se remodela a sí
mismo espontáneamente, esto es, genera una actividad interior que
ocurre de manera independiente a la influencia exterior. De acuerdo
con la teoría de la plasticidad Hebbiana, las conexiones entre las
neuronas son fortalecidas o debilitadas basándose en las similitudes
o diferencias del momento en que se produce su actividad
presináptica y postsináptica. Ciertas sinapsis, llamadas Sinapsis
Hebbiana, se fortalecen cuando las neuronas presinápticas y
postsinápticas están activas simultáneamente. De la misma forma, la
conexión sináptica entre dos neuronas que no disparan
simultáneamente puede ser debilitada o incluso desaparecer. El
tiempo relativo entre el disparo de una neurona y otra en el núcleo
lateral del tálamo hace que se debiliten o fortalezcan sus conexiones
y, por tanto, determina sus posiciones, formando así las capas
específicas de los ojos. [1]
� Plasticidad expectante de experiencia: se refiere a aquellos cambios
sinápticos que requieren de ciertas experiencias que son esperables
en determinados momentos del desarrollo de una especie. Estos
períodos en que “se espera” que el sujeto esté sometido a
determinadas experiencias comunes a los miembros de su especie,
experiencias que a su vez generan cambios plásticos en el cerebro,
se denominan períodos críticos o sensibles. Una vez finalizados
CAPITULO III: FUNDAMENTOS BIOFISICOS
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dichos períodos críticos, la influencia sobre el cerebro de estas
mismas experiencias u otras de similares será mucho más limitada.
Entre los ejemplos más conocidos están los relacionados con la
privación sensorial. Entre los trabajos ya clásicos se encuentran los
que llevaron a cabo Hubel D.H. & Wiesel T. (1962) en relación con el
desarrollo de las áreas visuales de la corteza cerebral. [5]
� Plasticidad dependiente de experiencia: radica en ciertas
características del cerebro que no necesitan la experiencia para
desarrollarse, pero que, sin embargo, pueden ser cambiadas o
modificadas por ésta. Si una modificación en el medio interior o
exterior produce cambios en cierta característica del cerebro, se dice
que dicha característica posee plasticidad dependiente de la
experiencia. Este tipo de plasticidad es el que posibilita el aprendizaje
y la memoria. Los cambios físicos que se llevan a cabo durante el
aprendizaje se producen principalmente a nivel neuronal,
fortaleciendo o debilitando las sinapsis entre las neuronas. Estos
cambios dependen de la actividad neuronal a ambas partes de la
sinapsis. Si dos estímulos siempre aparecen juntos, las neuronas que
reciben este par de estímulos constantemente disparan juntas y la
conexión entre ellas se fortalece. Estos cambios en las conexiones
neuronales pueden dar lugar cambios en la topografía general de la
estructura cortical. [5]
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112
3.10. CONCLUSION
Es evidente que la influencia de estímulos emocionales, y muy
particularmente aquellos que muestran un alto componente motivacional, han
de actuar de modo similar sobre los mecanismos de procesamiento y retención
de la información, reforzando así su adquisición y contribuyendo a mejorar la
capacidad cognitiva.
Esto comprueba la plasticidad que tiene la red neuronal para aprender
nuevos patrones a corto plazo, es así como se provoca la activación de genes
de acción inmediata y de acción tardía, que van a generar dos tipos de
modificaciones permanentes en el SNC, por una parte refuerzan la transmisión
en las conexiones sinápticas, y por otra, establecen y consolidan las redes
interneuronales. Esto posibilita la evaluación de estrategias cognitivas en
forma independiente o combinada, la cual será una información útil a los fines
educativo, dado que nos muestra en cuales de ellas existen mejores niveles de
logros.
3.11. REFERENCIAS
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