El potencial de acción

El potencial de membrana representa la diferencia de carga eléctrica entre el interior y el exterior celular y puede adoptar diferentes valores según la situación en que se encuentre la neurona. Si la neurona está inactiva el potencial de membrana adopta un valor negativo que constituye el potencial de reposo. Sin embargo, la llegada de información procedente de otras neuronas produce cambios en el potencial de reposo que pueden ser de diferente naturaleza. El potencial de membrana puede volverse más negativo y adoptar un valor de, por ejemplo, -80 ó -90 mV, produciéndose por tanto un aumento de la diferencia de potencial entre el interior y exterior celular, es decir, una mayor diferencia en la distribución de las cargas eléctricas a ambos lados de la membrana. Este fenómeno se conoce con el nombre de hiperpolarización e indica que, si en estado de reposo la neurona estaba polarizada (negativamente), en un estado hiperpolarizado se encuentra más polarizada que en estado de reposo. La hiperpolarización hace que la neurona se vuelva todavía más inactiva y sea más difícil que pueda responder y transmitir información a otras neuronas.

Sin embargo, también puede ocurrir que el cambio del potencial de membrana se produzca en el sentido contrario, es decir, que 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 mV o -20 mV. Este fenómeno recibe el nombre de despolarización y aumenta la probabilidad de que la neurona responda y pueda transmitir información a otras neuronas. Si éste es el caso, el potencial de membrana adopta un valor diferente que recibe el nombre de potencial de acción o impulso nervioso. El potencial de acción se origina en el cono axónico y constituye el elemento básico del código o «lenguaje» que utilizan las neuronas para transmitir informaciones de naturaleza muy diversa a través de sus axones. Los sonidos, los colores y las órdenes motoras a los músculos y las glándulas son codificados como potenciales de acción en los axones del SN.

Los principios básicos que regulan el disparo de un potencial de acción fueron establecidos por dos científicos ingleses, Alan Hodgkin y Andrew Huxley, a finales de los años 1940 y principios de 1950. Su trabajo experimental constituye la base de lo que hoy en día se conoce acerca de la electrofisiología de la comunicación entre neuronas y por este trabajo les fue concedido el Premio Nobel en 1963. Investigando con el axón gigante de calamar, estos autores elaboraron una serie de ecuaciones matemáticas que reproducen admirablemente la secuencia de acontecimientos que ocurren durante el transcurso de un potencial de acción. Esas ecuaciones matemáticas son un modelo teórico excelente para predecir y explicar fenómenos neuronales y constituyen uno de los mayores logros de la neurobiología moderna.

El potencial de acción es una rápida inversión del potencial de membrana, de forma que éste adopta un valor positivo de aproximadamente +50 mV, frente al valor negativo del potencial de reposo (Fig. 7.4). Para que se produzca esta rápida inversión del potencial de membrana, es necesario que se dé una despolarización inicial de una magnitud determinada. Si a partir del potencial de reposo (-70 mV), el cambio en la diferencia de potencial es menor de 15 mV aproximadamente (es decir entre -70 y -55 mV), el potencial de acción no se produce y la neurona no responde. Por el contrario, si el cambio en la diferencia de potencial es ligeramente superior a aproximadamente 15 mV (es decir, a partir de -55 mV) el potencial de membrana 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. En este caso, la magnitud de la despolarización es suficiente para que el potencial de membrana alcance el denominado umbral de excitación o potencial umbral que es el valor del potencial de membrana a partir del cual se dispara el potencial de acción.

Por ello, se dice que el potencial de acción sigue la denominada ley del todo o nada, es decir, 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.

La despolarización y rápida inversión del potencial de membrana hasta adoptar un valor positivo de aproximadamente +50 mV tiene lugar aproximadamente en 1 milisegundo (Fig. 7.4). Después de este breve periodo cae rápidamente, de forma que aproximadamente otro milisegundo después, la diferencia de potencial se sitúa nuevamente en un valor negativo de aproximadamente -90 mV, retornando posteriormente al valor del potencial de reposo de -70 mV. Estos rápidos y súbitos cambios en el potencial de membrana respecto al potencial de reposo constituyen un potencial de acción. El período en que se produce la despolarización y la rápida inversión del potencial de membrana hasta alcanzar el valor de +50 mV se denomina fase de despolarización o fase ascendente, mientras que el período en el que el potencial de membrana vuelve a adquirir el valor negativo del potencial de reposo se llama fase de repolarización o fase descendente, pues en esta fase la neurona vuelve a polarizarse negativamente.

¿A qué pueden deberse estos cambios tan rápidos en la diferencia de potencial a través de la membrana neuronal? Estos cambios del potencial de membrana se producen como consecuencia de los cambios de permeabilidad que experimenta la membrana celular a los iones Na⁺ y K⁺ en respuesta a la despolarización inicial y que, a su vez, se deben a la apertura y cierre de canales iónicos específicos para estos iones (Fig. 7.5).

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 entrada de iones Na⁺ causa una mayor despolarización que, a su vez, aumenta la permeabilidad de la membrana para el Na⁺, que entra en mayor proporción en la célula y produce más despolarización… y así sucesivamente. Este proceso se desarrolla, por tanto, mediante un mecanismo de regeneración que se autorregula positivamente. 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.

Estos canales son sensibles a los cambios de voltaje, es decir, a los cambios que experimenta el potencial de membrana y su apertura se produce como consecuencia de que la despolarización inicial alcanza una cierta magnitud, la necesaria para que el potencial de membrana llegue al umbral de excitación. Por ello, estos canales iónicos reciben el nombre de canales de Na⁺ dependientes de voltaje, pues se abren y se cierran según los cambios que experimenta el potencial de membrana. Si se recuerda como actúan las fuerzas de difusión y presión electrostática, se entenderá por qué hay una entrada masiva de iones Na⁺ durante la fase ascendente del potencial de acción, pues ambas fuerzas empujan a este catión hacia el interior celular, al abrirse canales para este ión en la membrana neuronal.

Sin embargo, el cambio en la permeabilidad de la membrana a los iones Na⁺ no es el único que se produce en la fase ascendente del potencial de acción, pues en esta fase se da también un cambio en la permeabilidad a los iones K⁺, debido a la apertura de canales de K⁺ dependientes de voltaje. Estos canales también responden a cambios en el potencial de membrana, aunque difieren de los de Na⁺, entre otros factores, en el tiempo de apertura y/o cierre desde el inicio de la despolarización. Los canales de K⁺ dependientes de voltaje requieren para su apertura una mayor despolarización que los canales de Na⁺, por lo que su apertura se produce después 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. Hay que recordar que en la situación de reposo, la presión electrostática empuja al K⁺ hacia el interior y la de difusión le empuja hacia el exterior.

Sin embargo, cuando el potencial de membrana es positivo, la distribución de las cargas eléctricas entre ambos lados de la membrana ha cambiado, de forma que en este momento el interior celular presenta un exceso de cargas positivas respecto al exterior. En esta situación, los iones K⁺ son empujados hacia el exterior, no sólo por la fuerza difusión como sucede en la situación de reposo, sino también por la presión electrostática porque el interior es ahora positivo. Por tanto, durante la fase ascendente del potencial de acción se produce una entrada masiva de Na⁺ y una salida de K⁺, debido a la apertura de canales de Na⁺ y de K⁺ dependientes de voltaje. El potencial de acción se genera porque 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 de la neurona se produce 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.

En consecuencia, no hay un suficiente acúmulo de cargas positivas en el interior de la neurona que ponga en marcha el mecanismo de regeneración y el potencial de acción no se produce. Por encima del umbral de excitación, el número de iones Na⁺ que entran es mayor que el de los iones K⁺ que salen, por lo que se produce la respuesta regenerativa que se ha comentado.

Cuando el potencial de membrana adopta el valor de +50 mV, el interior celular presenta un exceso de cargas positivas debido a la entrada masiva de Na⁺. Por tanto, se ha invertido el potencial de membrana y ahora el interior celular se encuentra cargado positivamente respecto al exterior. En esta situación, los canales de K⁺ siguen abiertos permitendo el paso de los iones K⁺ hacia el exterior celular, impulsado por el gradiente electroquímico.

Sin embargo, este potencial de membrana positivo afecta de forma diferente a los canales de Na⁺, que en este momento pasan a un estado de inactivación, por lo que los iones Na⁺ dejan de pasar al interior celular. Así, al comienzo de la fase descendente del potencial de acción, los canales de Na⁺ 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 período refractario absoluto. En este momento no hay entrada de iones Na⁺ pero sí sal ida de iones K⁺ debido a que los canales de K⁺ quedan abiertos, lo que hace que el potencial de membrana vaya siendo menos positivo al eliminarse el excedente de cargas positivas del interior. Poco tiempo después, los canales de Na⁺ pasan del estado de inactivación al estado de cerrados, quedando dispuestos para ser abiertos si se produce una nueva despolarización. A medida que el potencial de membrana va recuperando su valor negativo, los canales de K⁺ también se cierran.

Al final de la fase descendente se produce una ca’da brusca del potencial de membrana hasta -90 antes de que éste recobre el característico valor -70 mV del potencial de reposo. Durante este breve período en que el potencial de membrana 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 35 mV, desde -90 a -55 mV, frente a unos 15 mV, desde -70 a -55 mV). Por ello, este período recibe el nombre de período refractario relativo. La prolongada hiperpolarización del potencial de membrana antes de alcanzar el valor de reposo se debe a que, en esta fase, la permeabilidad de la membrana al paso de los iones K⁺ es mayor que la que presenta en estado de reposo, de forma que estos iones se acumulan momentáneamente en el exterior de la membrana celular, lo que aumenta la diferencia de potencial entre ambos lados de la membrana. La distribución de estas cargas eléctricas positivas por el espacio extracelular y, sobre todo, la captación de estos iones por parte de los astrocitos, disminuye la presencia de cargas positivas en el exterior, disminuyendo por tanto la diferencia de potencial entre ambos lados de la membrana y permitiendo que el potencial de membrana adopte el característico valor negativo de -70 mV de la situación de reposo.