Las neuronas corticales interactúan entre sí a través de los axones y las ramificaciones dendríticas, formando redes neuronales. En su membrana celular existen canales de sodio (Na+), potasio (K+) y cloruro (Cl-) que permiten un flujo iónico constante entre el interior neuronal y el espacio extracelular, el cual depende de las concentraciones de los diferentes iones en ambos espacios (gradientes electroquímicos). Este intercambio genera diferencias de potencial que se transmiten a través de las redes neuronales despolarizando de forma progresiva las neuronas que están interconectadas.
Potencial de membrana:
Cuando las neuronas están en reposo mantienen un potencial negativo (-70 mV) que se denomina potencial de membrana en reposo (PMR). En este estado, por dentro de la membrana neuronal existe un medio negativo y por fuera, positivo.
Fase de Reposo:
- Membrana más permeable al K+.
- Potencial negativo.
- Umbral de potencial ( -55 a 60mV).
Fase de Despolarización:
- Membrana más permeable al Na+.
- Flujo de Na+ al interior por apertura de canales.
- Potencial positivo.
Fase de Repolarización:
- Cierre de canales de Na+ y apertura de los de K+.
- Difusión de K+ al exterior.
- Restablecimiento de potencial negativo.
Cada neurona piramidal tiene una dendrita apical y múltiples dendritas
basales. Cuando se excita la membrana postsináptica en la dendrita apical esta
se despolariza conduciendo al desplazamiento al interior del cuerpo neuronal de
cationes (Na+) y, por tanto, el espacio extracelular contiguo adquiere una
carga negativa mientras predomina un potencial inhibidor en las dendritas
basales con una carga positiva a su alrededor.
Esta onda de despolarización generada denominada potencial de acción (PA) sigue la Ley del Todo o Nada. Esto significa que su amplitud es independiente de la magnitud de la corriente evocada; por lo que se desarrolla por completo y se propaga o no lo hace. A su vez, cumple la Ley de Frecuencia donde la variabilidad de la información puede ser codificada en la cantidad de veces que dispara la neurona, es decir, en la frecuencia de descarga de los PA (lo que se modifica es la tasa de disparos de PA y no la magnitud de estos). EL PA viaja a través de las ramificaciones neuronales y llega a la sinapsis (la transmisión sináptica es la principal forma de propagarse la información de una neurona a otra).
Cada sinapsis cuenta con una terminal presináptica que contiene vesículas cargadas de neurotransmisores, una hendidura sináptica y una terminal postsináptica que en su membrana expresa receptores específicos para los neurotransmisores que se liberan desde las vesículas presinápticas.
Una vez llega la despolarización neuronal al terminal presináptico se activan los canales de Calcio (Ca+) dependientes de voltaje, permitiendo la entrada de Ca+ a nivel presináptico. Esto desencadena la activación de un andamiaje de proteínas que fusionan dichas vesículas con la membrana presináptica y la subsecuente liberación de los neurotransmisores en la hendidura sináptica. Al llegar los neurotransmisores a su correspondiente receptor ionotrópico en la membrana postsináptica activa canales iónicos que permiten el paso de iones. Este flujo iónico provoca cambios locales en el potencial de membrana (es decir, una hiperpolarización o una despolarización en la neurona postsináptica), conocidos como potenciales postsinápticos (PPS).
Los PPS se caracterizan por ser no propagados, de pequeña amplitud y con duración entre 10 y 100 milisegundos. A su vez, puede ser excitadores (PPSE) cuando causan despolarización (excitación) como resultado de un flujo intraneuronal de iones positivos (cationes) como Na+ o Ca+, disminuyendo así el umbral para desencadenar un PA en la terminal postsináptica; o inhibidores (PPSI) cuando causan hiperpolarización (inhibición) como consecuencia de un flujo hacia adentro de iones negativos (Cl-) o un flujo hacia afuera de iones positivos (K+), aumentando así el umbral para desencadenar un PA en la terminal postsináptica.
Neurotransmisores:
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Glutamato |
PPS Excitatorio (↑ excitabilidad
neuronal) – Despolarización. |
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GABA |
PPS Inhibitorio (↓ excitabilidad
neuronal) – Hiperpolarización. |
* Se necesita la suma espacial o temporal de varios PPS para alcanzar el umbral de despolarización que logra desencadenar el PA. Esta es la razón de las múltiples entradas sinápticas que presenta cada neurona a través de sus extensas arborizaciones dendríticas que enlaza con miles de axones.
* Los potenciales de campo generados durante la actividad epiléptica son de mayor amplitud que los generados por la actividad no epiléptica, puesto que son el resultado de una actividad neuronal altamente sincronizada.
El Principio de Hebb o de reforzamiento de la sinapsis hace referencia al mecanismo que ocurre cuando una sinapsis se activa de forma repetida a la vez que la neurona postsináptica emite los PA. Esto produce cambios estructurales y neuroquímicos de la sinapsis que tienen como resultado su reforzamiento. Los principales cambios son:
- Aumento de la entrada de Ca+ a nivel presináptico que induce un aumento de la liberación de neurotransmisores.
- Inserción de receptores postsinápticos AMPA y NMDA (metabotrópicos), es decir aquellos que utilizan el Ca+ como segundo mensajero produciendo PA más lentos, pero más duraderos.
- Creación de nuevas conexiones sinápticas a través de la perforación de la superficie postsináptica de donde nace una prolongación, es decir, a partir de una ramificación dendrítica nacen dos.
Cuando una sinapsis débil no llega a generar un potencial mayor al umbral requerido, una sinapsis reforzada puede llegar a generar un PA por ingreso de mayor cantidad de iones positivos (este es un mecanismo presente en la formación CA1 del Hipocampo).
Génesis eléctrica en las redes neuronales.
Los PPS están constituidos por pequeños potenciales de membrana que ocurren en los sitios de las uniones dendríticas. Estos no alcanzan a producir la respuesta del Todo o Nada en la generación del PA y son llamados potenciales neurotónicos.
Cuando en una red neuronal se produce gran cantidad de PPSE y PPSI se altera la excitabilidad de las neuronas que conforman dicha red y se produce una diferencia de potencial a nivel extracelular. La actividad que se obtiene en el registro de un electroencefalograma (EEG) no está constituida por PA, sino que proviene de la suma de estos PPSE y PPSI.
Un PPSE implica la entrada de cationes dentro de la neurona, lo cual produce un medio extracelular negativo. Esta es la razón de que un electrodo que esté cerca de esta sinapsis registrará un potencial negativo, aunque la entrada sea excitatoria. Así mismo, un electrodo que registre una sinapsis con una entrada inhibitoria (PPSI) registrará un potencial positivo ante la presencia de un medio extracelular positivo secundario a la entrada de iones negativos (aniones) a la neurona o a la salida de cationes.
La integración neuronal consiste en la interacción entre los efectos de las sinapsis excitatorias e inhibitorias en una neurona determinada, es decir cuando predominan los PPSE la descarga se elevará y contrariamente descenderá si predominan los PPSI.
El EEG registra potenciales de múltiples circuitos neuronales a diferentes profundidades corticales y subcorticales, que están continuamente despolarizando y repolarizando las neuronas formando dipolos. Al registrar desde el cuero cabelludo siempre estaremos relativamente distantes de los generadores de los potenciales neuronales. Por esta razón, los electrodos de superficie sólo pueden detectar la activación sincrónica de neuronas que abarcan un área de al menos 6 cm2, es decir, la suma de un gran número de dipolos adyacentes dispuestos en el mismo eje y situados en la convexidad cerebral.
La orientación de las neuronas y la ubicación de sus contactos sinápticos con respecto a la superficie cortical son los principales determinantes de los potenciales extracelulares que registran los electrodos. Las neuronas piramidales tienen una disposición vertical (sentido radial), donde los cuerpos neuronales están organizados en la capa III y V del córtex cerebral. Sus procesos dendríticos y axones abarcan toda la columna recibiendo numerosos contactos sinápticos. Esto orientación perpendicular de la neurona piramidal con respecto a la corteza cerebral (y, por tanto, a los electrodos colocados en el cuero cabelludo), permite obtener la suma de potenciales con un dipolo vertical.
Así mismo, los potenciales orientados paralelos a los electrodos (dipolo horizontal), como ocurre en los que se generan en neuronas de la profundidad de los surcos corticales (sentido tangencial) o aquellos que se originan en las superficies mesiales y basales del cerebro no son registrados en su mayoría. Para solucionar esto se colocan electrodos profundos cerca de los generadores utilizando técnicas:
- Semi-invasivas (esfenoidales y de agujeros ovales)
- Invasivas (epidurales, subdurales y de profundidad).
Lo anterior se resume en que cuando el dipolo está vertical y el electrodo está directamente encima de él, se registra el máximo del campo. A medida que la orientación del dipolo se vuelve progresivamente menos radial y más tangencial a un electrodo, éste registra un campo de voltaje de menor amplitud. Así mismo, el hecho de que se registre un potencial positivo o negativo en el electrodo del cuero cabelludo depende de la ubicación del electrodo de registro con respecto a estos dipolos.
Referencias a consultar:
- Koubeissi MZ, Azar NJ. Epilepsy Board Review. A comprehensive guide. Springer. 2017. DOI 10.1007/978-1-4939-6774-2
- Ríos PL, Yacubian ME. El ABC de un buen registro electroencefalográfico. 2016.
