Fisiología Humana I: Integración sináptica y excitabilidad neuronal

Universidad de La Laguna

Fisiología Humana I: Integración Sináptica y Excitabilidad Neuronal

Universidad de La Laguna Fisiología Humana I. Grado en Medicina. Curso 2024-2025. Tema 18 Integración sináptica y excitabilidad neuronal. Conductancias iónicas y patrones de descarga. Modulación local de la neurotransmisión. Sumación espacial y temporal. Plasticidad sináptica. Dr. Guadalberto Hernández. 19 de marzo de 2025.LI

Convergencia y Potenciales Sinápticos

Universidad de La Laguna L 18. Dr. Guadalberto Hernández. 19/3/2025

1. Una neurona puede recibir cientos o miles de contactos sinápticos de otras neuronas (convergencia) con diferente localización regional (axo-somáticas, axo-dendríticas y axo-axónicas) y de diferente signo (excitarias o inhibitorias).
2. Los potenciales sinápticos que son generados en una neurona postsináptica por cada entrada presináptica son de pequeña magnitud (0.1-0.5 mV), por lo que no son capaces de alcanzar el umbral y generar, por sí solos, un potencial de acción postsináptico.
3. Consecuentemente, cada neurona postsináptica necesita integrar las diferentes señales que recibe. Eso lo ejecuta sumando y restando diferentes Potenciales Excitatorios Postsinápticos (PEPS) y Potenciales Inhibitorios Postsinapticos (PIPS) del valor de su potencial de membrana. Dendrites of postsynaptic neuron Synaptic terminals of presynaptic neurons . Excitatory synapse . Inhibitory synapse Cell body of postsynaptic cell Synaptic terminals of presynaptic neurons Myelin sheath Cell body of postsynaptic neuron Axon hillock Axon of postsynaptic neuron (a) (b) 5 um what action potential spiking would look like Membrane potential (milliseconds) -65 threshold EPSP integrated potential -70 IPSP -75 2 2001 Brooks/Cole - Thomson Learning resting membrane potential ·2012 Pearson Education, Inc.

Sumación de Corrientes Sinápticas

Universidad de La Laguna L 18. Dr. Guadalberto Hernández. 19/3/2025 Sumación

1. Cuando varios contactos Axon terminals of presynaptic neurons Dendrite of postsynaptic neuron Dendrite Glial cell processes Axon Copyright @ 2007 Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings. sinápticos excitatorios e inhibitorios se producen al mismo tiempo en la misma región, la corriente neta de entrada será la suma de las corrientes generadas en cada uno de los contactos sinápticos.
2. De esta forma, la variación resultante en el potencial de membrana postsináptico será de la suma de los diferentes PEPs y PIPs generados en cada sinapsis individual y, como consecuencia, la neurona aumentará o disminuirá su excitabilidad

Potenciales Sinápticos Graduales y Distancia

Universidad de La Laguna L 18. Dr. Guadalberto Hernández. 19/3/2025 Strength of graded potential (mV) Amplitude of graded potential 5 4 3 2 1 1 2 -3 -4 5 Distance Stimulus point of origin Distance Los potenciales sinápticos graduales difunden pasivamente desde la zona en donde se produce el estímulo y pierden intensidad con la distancia. Postsynaptic neuron B 1 Na1 2 3 4 5 1 2 A 3 4 5 Copyright @ 2007 Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings. Axon terminal Stimulus

Umbral de Potencial de Acción en el Cono Axónico

Universidad de La Laguna L 18. Dr. Guadalberto Hernández. 19/3/2025 (a) A graded potential starts above threshold (T) at its initiation point, but decreases in strength as it travels through the cell body. At the trigger zone it is below threshold and therefore does not initiate an action potential. Stimulus Synaptic terminal -40 -55 T -70 mV Stimulus Time Cell body -40 T -55 - -70 mV Trigger zone Time -40 -55 T Axon -70 mV Time No action potential Graded potential below threshold Si los potenciales sinápticos graduales no superan el potencial umbral en la zona de disparo en el cono axónico, no se generan potenciales de acción en la neurona postsináptica. Copyright @ 2007 Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings.LL

Generación de Potenciales de Acción por Estímulos Fuertes

Universidad de La Laguna L 18. Dr. Guadalberto Hernández. 19/3/2025 (b) A stronger stimulus at the same point on the cell body creates a graded potential that is still above threshold by the time it reaches the trigger zone, so an action potential results. Stimulus -40 -55 1 1 T -70 mV Stimulus Time - -40 -55 T -70 mV Trigger- zone Time -40 -55 T -70 mV Action potential Graded potential above threshold Si hay un aumento de la intensidad del estímulo y los potenciales sinápticos graduales superan el potencial umbral en el cono axónico, se generan potenciales de acción en la neurona postsináptica. Copyright @ 2007 Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings. Time -

Excitabilidad Neuronal y Canales de Na+

Universidad de La Laguna L 18. Dr. Guadalberto Hernández. 19/3/2025 A EXPERIMENTAL PREPARATION Axon hillock Dendrites Initial segment Myelin sheath Cell body B EXCITABILITY ALONG NEURON Threshold Above the threshold there is an action potential. Vm Below the threshold there is no action potential. Amplitude of the synaptic potential Resting membrane potential Distance C DENSITY OF Na+ CHANNELS Boron & Boulpaep: Medical Physiology, 2nd Edition. Copyright @ 2009 by Saunders, an imprint of Elsevier, Inc. All rights reserved. En el cono axónico (axon hillock) se generan potenciales de acción solo si los potenciales sinápticos graduales superan el potencial umbral. ¿Por qué se generan los POTACs en el cono axónico? En el cono axónico hay una gran densidad de canales de Na+ dependientes de voltage Hay también una importante densidad de canales de Na+ en los nódulos de Ranvier.

Sumación Espacial

L 18. Dr. Guadalberto Hernández. 19/3/2025 Universidad de La Laguna (A) Sumación Espacial Excitatory E1 + Record Inhibitory I 0 Postsynaptic membrane potential Excitatory E2 ++ Cell body Axon Dendrites NEUROSCIENCE 5e, Figure 5.22 (Part 1) @ 2012 Sinauer Associates, Inc.

Generación de Potencial de Acción por Sumación Espacial

Universidad de La Laguna L 18. Dr. Guadalberto Hernández. 19/3/2025 (a) Presynaptic axon terminal + + 1 1 Three excitatory neurons fire. Their graded potentials separately are all below threshold. 2 Graded potentials arrive at trigger zone together and sum to create a suprathreshold signal. + 2 3 An action potential is generated. Trigger zone 3 Action potential Copyright @ 2007 Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings.

Efecto de Neuronas Inhibitorias en la Sumación Espacial

Universidad de La Laguna L 18. Dr. Guadalberto Hernández. 19/3/2025 (b) + 1 One inhibitory and two excitatory neurons fire. Inhibitory neuron Yo 2 The summed potentials are below threshold, so no action potential is generated. 2 Trigger zone No action potential Copyright @ 2007 Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings.

Sumación Temporal

Universidad de La Laguna L 18. Dr. Guadalberto Hernández. 19/3/2025 Membrane potential (mV) Threshold -55 - 1 - 1 1 1 1 1 -70 A1 A2 X1 X2 2 Time (msec) (a) No summation. Two graded potentials will not cause an action potential if they are far apart in time. Copyright @ 2007 Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings.L 18. Dr. Guadalberto Hernández. 19/3/2025 L Universidad de La Laguna +30 0 Membrane potential (mV) Sumación Temporal Threshold -55 - - - - A2 A. -70 X1 X2 Time (msec) (b) Summation causing action potential. If two subthreshold potentials arrive at the trigger zone within a short period of time, they may sum and create an action potential. Copyright @ 2007 Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings.L 18. Dr. Guadalberto Hernández. 19/3/2025 LL Universidad de La Laguna A NO SUMMATION B SPATIAL SUMMATION C MORE SPATIAL SUMMATION D TEMPORAL SUMMATION Arriving action potential T. Soma Dendrite PSP Vm Axon hillock 0 20 0 20 0 20 0 20 Time (msec) msec msec msec Axon hillock/soma +20 Action potentials Node of Ranvier -- Threshold -80 Myelinated internode Vm never rises above the threshold. There is no action potential. There are 2 action potentials as PSP rises above the threshold. There are 6 action potentials as PSP rises above the threshold. With the third hump, action potentials begin. Axon +20 Action potentials Presynaptic terminal Vm (mV) -- Threshold -80 In the axon, there are simple spikes, without PSPs. The timing of the axonal spikes is the same as that for spikes in the soma. Boron & Boulpaep: Medical Physiology, 2nd Edition. Copyright @ 2009 by Saunders, an imprint of Elsevier, Inc. All rights reserved. Axon initial segment Vm (mV)

Dendritas y Espinas Dendríticas

Universidad de La Laguna L 18. Dr. Guadalberto Hernández. 19/3/2025 O O 1 um Dendrite Spine neck Spine head Dendritas y Espinas Dendríticas

1. Las dendritas son las "antenas" de la neurona y están cubiertas por miles de sinapsis.
2. La membrana dendrítica está cubierta de numerosos receptores para neurotransmisores.
3. Las dendritas de algunas neuronas están cubiertas por estructuras especializadas llamadas "espinas dendríticas" que reciben contactos sinápticos.

Morfología de las Espinas Dendríticas

L 18. Dr. Guadalberto Hernández. 19/3/2025 Universidad de La Laguna Morfología de las Espinas Dendríticas A C A 1 C C B g a C B 91168) a a m a B 3 A gunteres 1/5 DECe Microfotografía (A) y dibujos originales de Cajal (B y C)

Dinámica de las Espinas Dendríticas

Universidad de La Laguna L 18. Dr. Guadalberto Hernández. 19/3/2025 Las espinas dendríticas son estructuras dinámicas 1 um Dendrite Spine neck Spine head Imágenes de ratón adulto, 1 mes de vida

Modelo Esquemático de Circuito Distribuido

L 18. Dr. Guadalberto Hernández. 19/3/2025 Universidad de La Laguna Modelo esquemático de circuito distribuido En negro neuronas activas y en blanco neuronas silentes Respuesta postsináptica 1 2 3 4 5 Cada neurona postsináptica recibe, en sus espinas dendríticas, distintas entradas sinápticas (inputs) procedentes de varias neuronas presinápticas. Aquellas neuronas que reciben varias entradas presinápticas (en este caso, las neuronas números 1 y 5) disparan potenciales de acción. Modificado de un original de Rafael Yuste, 2011.

Estímulo, Patrones de Descarga y Liberación de Neurotransmisor

L 18. Dr. Guadalberto Hernández. 19/3/2025 L Universidad de La Laguna Estímulo, patrones de descarga y liberación de neurotransmisor Soma Lugar de transducción I Zona generadora de la espiga I Axón mielinizado Neurona sensorial Terminal sináptico A. Potencial del receptor (o sináptico) B. Acción integrativa C. Potencial de acción D. Señal de salida (liberación de transmisor) 20 0 Estímulo (extensión) -20 -40 Umbral de espiga -60 -80 Potencial de membrana (mV) 20 0 -20 -40 Umbral de espiga ... -60 -80 20 Amplitud de la extensión -20 -40 -60 -80 J 0 5 10 0 5 10 0 5 10 Duración Tiempo (segundos)

Descarga Repetitiva y Potencial Marcapasos

L Universidad de La Laguna L 18. Dr. Guadalberto Hernández. 19/3/2025 A Neurona intacta Neurona aislada 100 mV 2 seg B 0 E = - 100 mV "K E = Na +50 mV E = - 40 mV EL : potencial de equilibrio para la conductancia de fuga C 40 г 100 mseg EM (mV) 0 Potencial marcapasos -40 -80 9 Na 9K gx "temprano" (g)) DESCARGA REPETITIVA: Una alta gNa en reposo aleja Vm del potencial de equilibrio del potasio (Ek), llevando el potencial de membrana hacia la despolarización ("potencial marcapaso") y a generar espontáneamente potenciales de acción. Entonces se activa una gk y se produce la repolarización. La aparición de cada potencial de acción está limitada por otra conductancia de potasio (early gk) que mantiene Vm cerca de Ex mientras está activa. Conductancia de fuga dependiente de voltaje