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■ Conducción de señales eléctricas en neuronas
El sistema nervioso humano es notable por su capacidad de transmitir información en forma de señales eléctricas. Estas señales son transportadas por los nervios y el concepto de diferencia potencial electrico juega un papel importante en el proceso. Por ejemplo, la información sensorial desde nuestros ojos y oídos es llevado al cerebro por los nervios ópticos y los nervios auditivos, respectivamente. Otros nervios transmiten señales desde el cerebro o la columna vertebral a los músculos, haciendo que se contraigan. Minetras otros nervios llevan señales dentro del cerebro.
Un nervio consiste en un paquete de axones, y cada axón es una parte de una célula nerviosa, o neurona. Como ilustra la figura, una neurona típica consiste en un cuerpo celular con numerosas extensiones, llamadas dendritas, y un solo axón. Las dendritas convierten estímulos, como la presión o calor, en señales eléctricas que viajan a través de la neurona. El axón envía la señal a las terminaciones nerviosas, que transmiten la señal a través de una brecha (llamada sinapsis) a la siguiente neurona o a un músculo.
El fluido dentro de una célula, el fluido intracelular, es bastante diferente del que está fuera de la célula, el fluido extracelular. Ambos fluidos contienen concentraciones de iones positivos y negativos. Sin embargo, el fluido extracelular es rico en iones de sodio (Na+) y cloro (Cl−), mientras que el fluido intracelular es rico en iones de potasio (K+) y proteínas cargadas negativamente. Estas diferencias de concentración entre los fluidos son extremadamente importantes para la vida de la célula. Si la membrana celular fuera libremente permeable, los iones se difundirían a través de ella hasta que las concentraciones en ambos lados fueran iguales. Esto no sucede, porque una célula viva tiene una membrana selectivamente permeable. Los iones pueden entrar o salir de la célula solo a través de los canales de membrana, y la permeabilidad de los canales varía notablemente de un ion a otro.
Por ejemplo, emucho más fácil que los iones K+ se difundan hacia fuera de la célula que los iones Na+ ingresen a la célula. Como resultado de la permeabilidad selectiva de la membrana, hay una pequeña acumulación de cargas negativas justo en el lado interno de la membrana y una cantidad igual de cargas positivas en el lado externo (ver Figura). La acumulación de carga ocurre muy cerca de la membrana, por lo que la membrana actúa como un condensador. En otras partes de los fluidos intracelulares y extracelulares, hay un número igual de iones positivos y negativos, por lo que los fluidos son en general eléctricamente neutros.
Tal separación de cargas positivas y negativas da lugar a una diferencia de potencial eléctrico a través de la membrana, llamada potencial de membrana en reposo.
En las neuronas, el potencial de membrana en reposo oscila entre −40 y −90 mV, con un valor típico de −70 mV. El signo menos indica que el lado interno de la membrana es negativo en relación con el lado externo.
La física del potencial de acción. Una neurona "en reposo" es aquella que no conduce una señal eléctrica. El cambio en el potencial de membrana en reposo es el factor clave en el inicio y conducción de una señal. Cuando se aplica un estímulo suficientemente fuerte en un punto dado de la neurona, las "puertas" en la membrana se abren y los iones de sodio inundan la célula, como lo ilustra la figura 19.24. Los iones sodio son conducidos a la célula por atracción hacia los iones negativos en el lado interno de la membrana, así como por la concentración relativamente alta de iones de sodio fuera de la célula. La gran afluencia de iones Na+ primero neutraliza los iones negativos en el interior de la membrana y luego hace que se cargue positivamente. Como resultado, el potencial de membrana en esta región localizada va de −70 mV, el potencial de reposo, a aproximadamente +30 mV en muy poco tiempo (ver Figura 19.25). Las puertas de sodio se cierran y la membrana celular vuelve rápidamente a su potencial de reposo normal. Este cambio en el potencial, de −70 mV a +30 mV y nuevamente a −70 mV, se conoce como potencial de acción. El potencial de acción dura unos pocos milisegundos, y es la señal eléctrica que se propaga por el axón, típicamente a una velocidad de aproximadamente 50 m/s, hasta la siguiente neurona o a una célula muscular.
■ Técnicas de diagnóstico médico
Varias técnicas importantes de diagnóstico médico dependen del hecho de que la superficie del cuerpo humano no es una superficie equipotencial. Entre varios puntos del cuerpo hay pequeñas diferencias de potencial (aproximadamente 30–500 µV), que proporcionan la base para la electrocardiografía, la electroencefalografía y la electroretinografía. Las diferencias de potencial pueden mostrar las características eléctricas de las células musculares y las células nerviosas. Al llevar a cabo sus funciones biológicas, estas células utilizan iones de sodio y potasio con carga positiva e iones de cloro con carga negativa que existen dentro de las células y en el líquido extracelular. Como resultado de tales partículas cargadas, se generan campos eléctricos que se extienden a la superficie del cuerpo y conducen a pequeñas diferencias de potencial.
