Descanso de Potenciais de Ação e Potenciais (Secção 1, Capítulo 1) Neurociência Online: Eletrônica, Livro-texto para as Neurociências, Departamento de Neurobiologia e da Anatomia – Universidade de Texas Medical School, em Houston

o Vídeo da palestra

Apesar da enorme complexidade do cérebro, é possível obter uma compreensão de sua função, prestando atenção para dois detalhes importantes:

• Primeiro, as maneiras em que os neurônios individuais, os componentes do sistema nervoso, são conectados em conjunto para gerar comportamento., em segundo lugar, as propriedades biofísicas, bioquímicas e eletrofisiológicas dos neurônios individuais.

Um bom lugar para começar é com os componentes do sistema nervoso e como as propriedades elétricas dos neurônios dotar as células nervosas com a capacidade de processar e transmitir informação.

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1.1 Introdução ao potencial de ação

Teorias da codificação e transmissão de informações no sistema nervoso voltar para o médico grego Galeno (129-210 de ANÚNCIOS), que sugeriu um mecanismo hidráulico pelo qual os músculos se contraem porque o fluido que flui para eles a partir de oco nervos. A teoria básica mantida por séculos e foi mais elaborada por René Descartes (1596 – 1650), que sugeriu que os espíritos animais fluíam do cérebro através dos nervos e, em seguida, para os músculos para produzir movimentos (veja esta animação para a interpretação moderna de tal teoria hidráulica para a função nervosa)., Uma grande mudança de paradigma ocorreu com o trabalho pioneiro de Luigi Galvani que descobriu em 1794 que o nervo e o músculo poderiam ser ativados por eletrodos carregados e sugeriu que o sistema nervoso funciona através de sinalização elétrica. No entanto, houve debate entre os estudiosos se a eletricidade estava dentro dos nervos e músculos ou se os nervos e músculos estavam simplesmente respondendo ao choque elétrico prejudicial através de algum mecanismo não elétrico intrínseco., A questão não foi resolvida até a década de 1930 com o desenvolvimento de amplificadores eletrônicos modernos e dispositivos de gravação que permitiram que os sinais elétricos fossem gravados. Um exemplo é o trabalho pioneiro de H. K. Hartline, há 80 anos, sobre sinalização elétrica no Limulus do caranguejo ferradura . Eletrodos foram colocados na superfície de um nervo óptico. (Ao colocar eletrodos na superfície de um nervo, é possível obter uma indicação das mudanças no potencial de membrana que estão ocorrendo entre o exterior e o interior da célula nervosa., Em seguida, flashes de duração de 1-s de luz de intensidades variadas foram apresentados ao olho; primeiro luz escurecida, em seguida, luzes mais brilhantes. Luzes muito fracas não produziram mudanças na atividade, mas luzes mais brilhantes produziram pequenos eventos repetitivos como espigões. Estes eventos semelhantes a picos são chamados potenciais de ação, impulsos nervosos, ou às vezes simplesmente picos. Potenciais de ação são os eventos básicos que as células nervosas usam para transmitir informações de um lugar para outro.1.,2 características dos potenciais de Acção

As gravações na figura acima ilustram três características muito importantes dos potenciais de Acção nervosa. Em primeiro lugar, o potencial de Acção do nervo tem uma curta duração (cerca de 1 msec). Em segundo lugar, os potenciais de Acção nervosa são gerados de uma forma “tudo ou nada”. Em terceiro lugar, as células nervosas codificam a intensidade da Informação pela frequência dos potenciais de ação. Quando a intensidade do estímulo é aumentada, o tamanho do potencial de ação não se torna maior. Em vez disso, a frequência ou o número de potenciais de ação aumenta., Em geral, quanto maior a intensidade de um estímulo, maior o número de potenciais de ação gerados. Da mesma forma, para o sistema motor, quanto maior o número de potenciais de ação em um neurônio motor, maior a intensidade da contração de um músculo que é inervado por esse neurônio motor.,

os potenciais de Acção são de grande importância para o funcionamento do cérebro, uma vez que propagam informação no sistema nervoso central e propagam comandos iniciados no sistema nervoso central para a periferia. Por conseguinte, é necessário compreender completamente as suas propriedades. Para responder às questões de como os potenciais de ação são iniciados e propagados, precisamos registrar o potencial entre o interior e o exterior das células nervosas usando técnicas de gravação intracelular.1.,3 Intracelular Gravações de Neurônios

A diferença de potencial através de uma célula nervosa membrana pode ser medida com um microeletrodo cuja ponta é tão pequena (cerca de um mícron) que pode penetrar na célula, sem produzir qualquer dano. Quando o eletrodo está no banho (o meio extracelular) não há potencial registrado porque o banho é isopotencial. Se o microelectrode for cuidadosamente inserido na célula, há uma mudança acentuada no potencial., A leitura do voltímetro muda instantaneamente de 0 mV para uma diferença potencial de -60 mV dentro da célula em relação ao exterior. O potencial que é registrado quando uma célula viva é empalada com um microelectrode é chamado de potencial de repouso, e varia de célula para célula. Aqui é mostrado ser -60 mV, mas pode variar entre -80 mV e -40 mV, dependendo do tipo particular de célula nervosa. Na ausência de qualquer estimulação, o potencial de repouso é geralmente constante.também é possível registar e estudar o potencial de Acção. Figura 1.,3 ilustra um exemplo no qual um neurônio já foi empalado com um microelectrode (o eletrodo de gravação), que está conectado a um voltímetro. O eletrodo registra um potencial de repouso de -60 mV. A célula também foi empalada com um segundo eletrodo chamado eletrodo estimulante. Este eletrodo é conectado a uma bateria e um dispositivo que pode monitorar a quantidade de corrente (I) que flui através do eletrodo. As alterações no potencial da membrana são produzidas fechando o interruptor e alterando sistematicamente o tamanho e a polaridade da bateria., Se o polo negativo da bateria estiver conectado ao interior da célula como na figura 1.3 A, uma mudança instantânea na quantidade de corrente fluirá através do eletrodo estimulante, e o potencial da membrana torna-se transitoriamente mais negativo. Este resultado não deve ser surpreendente. O pólo negativo da bateria torna o interior da célula mais negativo do que era antes. Uma mudança no potencial que aumenta o estado polarizado de uma membrana é chamada de hiperpolarização. A célula é mais polarizada do que era normalmente. Use ainda uma bateria maior e o potencial torna-se ainda maior., As hiperpolarizações resultantes são funções gradadas da magnitude dos estímulos usados para produzi-los.

Agora, considere o caso em que o pólo positivo da bateria é conectado ao eletrodo (Figura 1.3-B). Quando o pólo positivo da bateria é ligado ao eletrodo, o potencial da célula torna-se mais positivo quando o interruptor é fechado (figura 1.3 B). Tais potenciais são chamados de despolarizações. O estado polarizado da membrana é diminuído., Baterias maiores produzem despolarizações ainda maiores. Mais uma vez, a magnitude das respostas é proporcional à magnitude dos estímulos. No entanto, um evento incomum ocorre quando a magnitude da despolarização atinge um nível de potencial de membrana chamado limiar. Um tipo totalmente novo de sinal é iniciado; o potencial de ação. Note que se o tamanho da bateria for aumentado ainda mais, a amplitude do potencial de ação é a mesma que a anterior (figura 1.3 B). O processo de provocar um potencial de acção numa célula nervosa é análogo à ignição de um fusível com uma fonte de calor., É necessária uma certa temperatura mínima (limiar). As temperaturas inferiores ao limiar não acendem o rastilho. As temperaturas superiores ao limiar inflamam o fusível, assim como a temperatura do limiar e o fusível não queima mais brilhante ou mais quente.

Se o estímulo da corrente suprathreshold for suficientemente longo, no entanto, um trem de potenciais de ação será gerado. Em geral, os potenciais de ação continuarão a disparar enquanto o estímulo continuar, sendo a frequência de disparo proporcional à magnitude do estímulo (figura 1.4).,

os potenciais de Acção não são apenas iniciados de uma forma “tudo ou nada”, mas também são propagados de uma forma “tudo ou nada”. Um potencial de ação iniciado no corpo celular de um neurônio motor na medula espinhal irá propagar-se de forma não-intencional até os terminais sinápticos desse neurônio motor. Mais uma vez, a situação é análoga a um fusível queimado. Assim que o rastilho for inflamado, a chama irá espalhar-se até ao fim.1.,4 componentes dos potenciais de Acção

o potencial de acção consiste em vários componentes (figura 1.3 B). O limiar é o valor do potencial de membrana que, se alcançado, leva à iniciação total ou nada de um potencial de ação. A fase inicial ou ascendente do potencial de ação é chamada de fase despolarizadora ou o upstroke. A região do potencial de ação entre o nível de 0 mV e a amplitude do Pico é a superação. O retorno do potencial da membrana ao potencial de repouso é chamado de fase de repolarização., Há também uma fase do potencial de ação durante a qual o potencial de membrana pode ser mais negativo do que o potencial de repouso. Esta fase do potencial de ação é chamada de subconjunto ou de hiperpotencial. Na figura 1.4, os subconjuntos dos potenciais de ação não se tornam mais negativos do que o potencial de repouso porque eles estão “cavalgando” sobre o estímulo despolarizante constante.1.,5 mecanismos iônicos de Potenciais de repouso antes de examinar os mecanismos iônicos de potencial de ação, é primeiro necessário compreender os mecanismos iônicos do potencial de repouso. Os dois fenómenos estão intimamente relacionados. A história do potencial de repouso remonta ao início de 1900, quando Julius Bernstein sugeriu que o potencial de repouso (Vm) era igual ao potencial de equilíbrio de potássio (EK)., Onde

A chave para a compreensão do potencial de repouso é o fato de que os íons são distribuídos de forma desigual no interior e exterior das células, e que as membranas celulares são seletivamente permeável a diferentes íons. K+ é particularmente importante para o potencial de repouso. A membrana é altamente permeável a K+. Além disso, o interior da célula tem uma alta concentração de K+ (i) e o exterior da célula tem uma baixa concentração de K+ (s). Assim, K+ irá naturalmente mover-se por difusão da sua região de alta concentração para a sua região de baixa concentração., Consequentemente, os K+ iões positivos que deixam a superfície interna da membrana deixam para trás alguns iões negativamente carregados. Essa carga negativa atrai a carga positiva do íon K+ que está saindo e tende a”puxá-lo para trás”. Assim, haverá uma força elétrica direcionada para dentro que tenderá a contrabalançar a força difusional direcionada para fora. Eventualmente, um equilíbrio será estabelecido; a força de concentração movendo K+ para fora irá equilibrar a força elétrica segurando-o. O potencial em que esse equilíbrio é alcançado é chamado de Potencial de equilíbrio Nernst.,

Um experimento para teste de Bernstein hipótese de que o potencial de membrana é igual ao de Equilíbrio de Nernst Potencial (i.é., Vm = EK) é ilustrado à esquerda.a concentração de K+ fora da célula foi sistematicamente variada enquanto o potencial de membrana era medido. Também é mostrada a linha que é prevista pela equação de Nernst. Os pontos medidos experimentalmente estão muito perto desta linha., Além disso, devido à relação logarítmica na equação de Nernst, uma mudança na concentração de K+ por um fator de 10 resulta em uma mudança de 60 mV no potencial.

nota, no entanto, que existem alguns desvios na figura à esquerda do que é previsto pela equação de Nernst. Assim, não se pode concluir que Vm = EK. Tais desvios indicam que outro íon também está envolvido na geração do potencial de repouso. Esse íon é Na+., A elevada concentração de Na+ fora da célula e uma concentração relativamente baixa dentro da célula resulta numa força motriz química (difusão) para o afluxo de na+. Há também uma força motriz elétrica porque o interior da célula é negativo e esta negatividade atrai os íons de sódio positivos. Consequentemente, se a célula tem uma pequena permeabilidade ao sódio, Na+ irá mover-se através da membrana e o potencial da membrana seria mais despolarizado do que seria esperado do potencial de equilíbrio K+.

1.,6 equação de Goldman-Hodgkin e Katz (GHK)

Quando uma membrana é permeável a dois íons diferentes, a equação de Nernst não pode mais ser usada para determinar com precisão o potencial da membrana. É possível, no entanto, aplicar a equação de GHK. Esta equação descreve o potencial através de uma membrana que é permeável a Na+ E K+.

Note Que α é a razão de permeabilidade Na+ (PNa) a permeabilidade K+ (PK)., Note também que se a permeabilidade da membrana para Na+ é 0, então alfa no GHK é 0, e a equação de Goldman-Hodgkin-Katz se reduz ao potencial de equilíbrio de Nernst para K+. Se a permeabilidade da membrana a na+ é muito alta e a permeabilidade do potássio é muito baixa, os termos se tornam muito grandes, dominando a equação em comparação com os Termos, e a equação de GHK se reduz ao potencial de equilíbrio de Nernst para Na+.se a equação de GHK é aplicada aos mesmos dados na figura 1.5, há um ajuste muito melhor. O valor de alfa necessário para obter este ajuste bom era 0,01., Isto significa que a permeabilidade ao potássio K+ é 100 vezes superior à permeabilidade Ao Na+. Em resumo, o potencial de repouso não se deve apenas ao facto de haver uma elevada permeabilidade a K+. Existe também uma ligeira permeabilidade à Na+, que tende a tornar o potencial da membrana ligeiramente mais positivo do que teria sido se a membrana fosse permeável a K+ isoladamente.

1.,7 Membrane Potential Laboratory

Clique aqui para ir ao interactive Membrane Potential Laboratory para experimentar os efeitos da alteração da concentração externa ou interna de iões de potássio e da permeabilidade da membrana aos iões de sódio e potássio. As previsões são feitas usando as equações de Nernst e Goldman, Hodgkin, Katz.,

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