Capitulo 1 Neuroscience 6th edition - Purves PDF

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Capítulo #1: Estudiando el Sistema Nervioso El genoma humano comprende cerca de 20,000 genes, en donde 14,000 (aprox. 70%) se encuentran expresados en el desarrollo y madurez del sistema nervioso. De este subconjunto, cerca de 8,000 estan expresados en todas las células y tejidos, incluyendo el sis...

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Capítulo #1: Estudiando el Sistema Nervioso

El genoma humano comprende cerca de 20,000 genes, en donde 14,000 (aprox. 70%) se encuentran expresados en el desarrollo y madurez del sistema nervioso. De este subconjunto, cerca de 8,000 estan expresados en todas las células y tejidos, incluyendo el sistema nervioso. Los otros 6,000 están expresados solamente en el sistema nervioso  A pesar del número de genes compartidos por el sistema nervioso y otros tejidos, los genes individuales son regulados de manera distintas a través del sistema nervioso, según lo medidos por la cantidad de mRNA expresado de región a región y de un tipo de célula a otra.  La figura representa el lugar y los niveles de expresión de un gen sencillo en el cerebro humano, los puntos indican donde se encuentra el mRNA de el gen en particular y los colores indican los niveles relativos de mRNA en cada región  Un dividendo de la secuenciación del genoma humano ha sido la realización de genes alterados (mutados), algunas veces uno o dos genes mutados, pueden ser la base de afecciones neurológicas o psiquiátricas.  La mutación de un gen simple que regula la mitosis puede dar como resultado microcefalia, una condiciones en la cual el cerebro y la cabeza dejan de crecer y las funciones cerebrales disminuyen dramáticamente.  La figura representa las consecuencias en el desarrollo cerebral de la mutación de un gen sencillo. El gen ASPM, Abnormal Spindle-like Microcephaly-associated, que afecta las funciones de la proteína asociadas al huso mitótico y resulta en microcefalia. En la figura de la izquierda se ve que el tamaño del cerebro esta dramáticamente reducido y su organización anatómica esta distorsionada en comparación con la imagen a la derecha de una persona de la misma edad y sexo que no sufre la condición. 

 Las formas extraordinariamente complejas y las extensas ramas de las células nerviosas (neuronas) individuales, al estar empacadas juntas es difícil distinguirlas una de otras.  Las figuras de las neuronas representan celular nerviosas teñidas con la impregnación de sales de plata (técnica de Golgi). 

Algunos biólogos de la era concluyeron que cada célula nerviosa esta conectada a sus vecinos por enlaces protoplásmicos, formando una continua interacción directa entre la red de las células nerviosas o retículo. (Golgi)

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Esta teoría reticular fue remplazada por la “neuron doctrine”, doctrina neuronal (Santiago Ramón y Cajal, Charles Sherrington). Cajal argumento persuasivamente que las neuronas eran entidades discretas, y que se comunicaban la una a la otra por contactos especializado que no eran sitios de continuación entre células. Sherrington llamo a estos contactos especializado sinapsis.

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Las imágenes obtenidas con el microscopio electrónico establecieron claramente que las células nerviosas con independientemente funcionales, y se identifico las conexiones que Sherrington llamo sinapsis.  Las figuras demuestran las principales características de las neuronas visualizadas con un microscopio electrónico.

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Segmento mielina Botones o o o

Diagrama de una célula nerviosa y sus componentes inicial de un axón y una vaina de entrando. terminales cargados con vesículas sinápticas formando sinapsis con una dendrita Sección transversal de un axón envainado por los procesos de oligodendrocitos Dendritas apicales de una célula piramidal cortical Cuerpo celular de una neurona ocupado por un gran núcleo redondo.

Porción de un axón mielinado, ilustrando los intervalos que ocurren entre segmentos de mielina adyacentes que se conocen como nódulos de Ranvier. “gap junctions” (uniones de brecha) – permiten la continuidad citoplásmica y la transferencia directa de señales químicas y eléctricas entre células en el sistema nervioso. Las células del sistema nervioso se pueden dividir en dos categorías: células nerviosas y neuronas, que están apoyadas por glias (neuro glias o células gliales). o Muchas de las células nerviosas están especializadas para enviar señales eléctricas a largas distancias. Las células gliales apoyan la función de señalización de las células nerviosas en vez de generar ellas mismas señales eléctricas. o Son contribuidores esenciales para reparar algún daño en el sistema nervioso, actuando como células madre en algunas áreas del cerebro en las cuales se promueve el crecimiento de neuronas dañadas en regiones donde la regeneración puede ocurrir útilmente. En otras regiones, previenen la regeneración donde el crecimiento incontrolado puede hacer mas daño que bien. Tanto en las neuronas, células nerviosos, y las glias los organelos son mas prominentes en diferentes regiones de la célula. o Mitocondria, esta concentrada en las sinapsis en la neurona o Organelos de síntesis de proteína, como el retículo endoplásmico, están mayormente excluidos de las dendritas y los axones  Las neuronas y las glias difieren en medidas de las proteínas fibrilares o tubulares especializadas que constituyen el citoesqueleto. Su organización distintiva en las neuronas es critica para la estabilidad y las funciones de procesos neuronales y conexiones sinápticas.  Las figuras muestras la diversidad en el arreglo citoesqueletal en las neuronas o El cuerpo celular, el segmento inicial del axon y las dendritas se distinguen por la distribución de tubulina (verde). Se contrasta con el “microtubule-binding protein” (roja) que se encuentra en el axón. o La localización de actina (roja) en las puntas de crecimiento de procesos axonales y dendríticos (neurona del hipocampo) o En células epiteliales, la actina (roja) se distribuye en fibrinas o Astrocitos, actina (roja) se observa en los haces fibrilares o La tubulina (verde) se encuentra en el cuerpo celular y las dendritas de las neuronas o Tubulina es el mayor componente de las dendritas, extendiéndose en pequeños crecimientos dendríticos llamados espinas, la cabeza de las espinas esta llena de actina (rojo) o Los componentes del as tubulinas del citoesqueleto in células no neuronales esta arreglado en redes de filamentos. o Las sinapsis tienen un arreglo especial de elementos citoesqueletales, receptores y “scaffold proteins” o

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Los diversos filamentos, túbulos, motores subcelulares y proteínas de andamios neuronales y el citoesqueleto glial orquestan muchas funciones, incluyendo: o Migraciones de las células nerviosas o Crecimiento de axones y dendritas o Trafico y posicionamiento adecuado de los componentes de la membrana, organelos y vesículas o Procesos activos de la exocitosis y la endocitosis subyacentes a la comunicación sináptica

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La señal morfológica más obvia de especialización neuronal de comunicación son las extensivas ramas de neuronas. Típicamente las neuronas tienen presencia de axones y dendritas, que emergen del cuerpo celular neuronal en forma de ramas dendríticas. Algunas neuronas tienen solo un axon que se extiende relativamente largas distancias de la locación del cuerpo celular. Las dendritas son el objetivo principal para la entrada sináptica de los terminales de axon de otras neuronas y se distinguen por su alto contenido de ribosomas, así como por proteínas citoesqueléticas específicas. El numero de entradas que recibe una neurona en particular depende de la complejidad de su arbóreo dendrítico o Neuronas que carecen de dendritas son inervadas por el axón de solo una o algunas neuronas, lo cual limita su capacidad para integrar información de diversas fuentes, lo que lleva a mas o menos una retransmisión de actividad eléctrica generada por la sinapsis que afectan a las neuronas. o Las ramas dendríticas elaboradas son inervadas por un numero grandemente conmensurado de otras neuronas, que permiten una mayor integración de información. El numero de entradas que una neurona refleja es el grado de convergencia El numero objetivos inervados por una solo neurona representa el de divergencia. Un propósito fundamental de las células nerviosas es integrar y retransmitir información a otras neuronas en un circuito neural. Típicamente, el terminal de axón de una neurona presináptica esta inmediatamente adyacente a una región especializada de receptores posinápticos de la célula “target”. Los componentes pre y posinápticos se comunican via secreción de moléculas del terminal presináptico que se unen a los receptores en la célula posináptica. Estas moléculas se le conocen como neurotransmisores. Hendidura sináptica (“synaptic cleft”) – es el sitio de proteínas extracelulares que influencia la difusión, unión y degradación de las moléculas, incluyendo neurotransmisores y otros factores, secretados por el terminal presináptico. Los axones cortos son elementos de neuronas de circuito local o interneuronas Los axones largos son elementos de neuronas de proyección Potencial de acción – son cambios de todo o nada en potenciales eléctricos (voltaje) a través de la membrana de la célula nerviosa que transporta información de una lugar a otro en el sistema nervioso. Transmisión sináptica – proceso por el cual la información codificada por un potencial de accon es pasada por contacto sináptico a una célula “target”

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Los terminales presinápticos y su especialización posináptica son típicamente sinapsis químicas o Las sinapsis eléctricas (mediadas por las “gap junctions”) son abundantes en el SNC y sirven para funciones especializadas incluyendo la sincronización de redes locales de las neuronas. Vesículas sinápticas – los organelos secretores en el terminal presináptico de sinapsis químicas. Son estructuras esféricas llenas de neurotransmisores que su liberación esta regulada por una variedad de proteínas. o Los neurotransmisores liberados por vesículas sinápticas modifican las propiedades eléctricas de una célula “target” mediante la unión a los receptores localizados principalmente en las especializaciones posináptica. o

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Las glias no participan directamente en la transmisión sináptica o en las señales eléctricas, aun así sus funciones de apoyo ayudan a definir el contacto sináptico y mantienen las habilidades de señales de las neuronas. Las células con características de glias parecen ser las únicas células madre retenidas en el cerebro maduro, y son capaces de formar ambas, nuevas glias, y en algunos casos, nuevas neuronas. Las funciones gliales incluyen o Mantenimiento del medio iónico de las células nerviosas o Modular la rapidez de propagación de una señal nerviosa o Modular la acción sináptica controlando la captura y el metabolismo de neurotransmisores cerca de la hendidura sináptica. o Proveer un andamio para algunos aspectos del desarrollo neuronal o Ayudar (o impedir) la recuperación de daño neuronal o Proveer una interfase entre el cerebro y el sistema inmunológico o Facilitar el flujo convectivo de fluidos intersticiales a través del cerebro durante el sueño, un proceso que limpia los desperdicios metabólicos. Hay tres tipos de células gliales: Astrocitos (SNC)  Apariencia de estrella  Mantiene, de diferentes maneras, un ambiente químico apropiado para la señal neuronal, incluyendo la formación de una barrera hematoencefálica  Secreta sustancias que influencia la construcción de nuevas conexiones sinápticas, y un subconjunto de astrocitos retiene las características de células madre en el cerebro adulto. Oligodendrocitos (SNC)  Produce una envoltura rica en lípidos llamada mielina alrededor de algunos axones. Esta tiene un efecto en la rapidez de la transmisión de la señal eléctrica. o

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Microglías  Derivadas principalmente por células precursoras hematopoyéticas  Son principalmente células barredoras que remueven restos celulares de sitios que sufrieron algún daño o perdidas de células normales. Además, secretan moléculas de señalización que pueden modular la inflamación local e influencia en que otra célula viva o muera. o Células madre gliales  Encontradas a través del cerebro adulto  Retiene la capacidad de proliferar y generar precursores adicionales o diferenciar glias, y en algunos casos neuronas.  Se pueden dividir en dos categorías  Un subconjunto de astrocitos encontrados principalmente cerca de los ventrículos en la zona conocida como, zona subventricular o adyacente a las células sanguíneas de la zona ventricular o Pueden crear mas células madre, neuronas y astrocitos maduros y oligodendrocitos  Precursores de oligodendrocitos esparcidos por toda la materia blanca, que se conocen a veces como polidendrocitos o Crean oligodendrocitos maduros, algunos astrocitos y en ciertas condiciones in vitro pueden generar neuronas. El cerebro humano se estima que contiene cerca de 86 billones de neuronas y al menos esa misma cantidad de glias Muchos estudios dependen de métodos moleculares y genéticos para introducir genes de proteínas fluorescentes que pueden identificar una neurona o glia y su proceso. o Otros métodos utilizan anticuerpos que identifican componentes neuronales y gliales específicos. El acido nucleico sondas con secuencias complementarias pueden detectar Mrna que codifican para genes expresados en neuronas o glias utilizando un método llamado hibridación in situ. Otros teñidos revelan la distribución de cuerpos celulares, pero no sus procesos ni sus conexiones o Método Nissl – esta técnica tiñe el nucleolo y otras estructuras donde el DNA o RNA se encuentra. Esa mancha demuestra el tamaño, la densidad y distribución del la población total de células nerviosas que no son uniformes a través del cerebro (en la corteza cerebral están arregladas en capas) Las neuronas nunca trabajan en aislamiento, si no que están organizadas en circuitos neurales. Las conexiones sinápticas que subyacen circuitos neuronales estan hechas típicamente de una maraña densa de dendritas, terminales de axón y procesos de células gliales que juntos constituyen lo que se conoce como neuropil o El neuropil esta constituido de la región entre el cuerpo de las células nerviosas donde ocurre la mayoría de las conexiones sinápticas. La dirección del fulo de información es preminente en cualquier circuito en particular, que es claramente esencial para entender su propósito. o

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En el SNP las células que producen mielina se conocen como las células de Schwann

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Neuronas aferentes – células nerviosas que cargan información fuera del cerebro o medula espinal  Neuronas eferentes – células nerviosas que cargan información desde la periferia hacia el cerebro o la medula espinal  Las interneuronas participan solamente es los aspectos locales de un circuito, basado en la extensión corta de su axón.  Reflejo miotático – como el reflejo instintivo o Las neuronas aferentes que controlan que controlan el reflejo son neuronas sensoriales cuyo cuerpo celular descansa en los ganglios de la raíz dorsal y envían axones periferales que terminan en finales sensoriales del musculo esqueletal. Los axones centrales de estas neuronas sensoriales entran al cordón espinal, donde terminan sobre una variedad de neuronas centrales preocupadas por la regulación del tono muscular, que es mas obvio en las neuronas motoras que determina la actividad relativa del musculo. Las neuronas motoras en los circuitos son las neuronas eferentes, un grupo se proyecta al musculo flexor en las extremidades, y el otro para el musculo extensor. Las interneuronas reciben contactos sinápticos de neuronas sensoriales aferentes y hace sinapsis con las neuronas sensoriales eferentes que se proyectan al musculo flexor, son capaces de modular el enlace de entrada-salida. Las conexiones sinápticas excitatorias entre el aferente sensorial y el extensor eferente motor causa que el musculo extensor se contraiga; al mismo tiempo, las interneuronas activadas por las aferentes son inhibitorias, y su activación disminuye la actividad eléctrica en el flexor eferente de la neurona motora y causa que el musculo flexor se vuelva menos activo.  Este proceso permite el cambio de posición en la pierna. o Registro de electrofisiología – mide la actividad eléctrica de la célula nerviosa. Hay dos maneras de llevar este registro  Registro extracelular – el electrodo se coloca cerca de las células nerviosas en interés de detectar su actividad  Útil para detectar patrones temporales se la actividad de un potencial de acción y relacionar esos patrones para su estimulación mediante otras entradas, o un comportamiento en específico.  Registro intracelular – el electrodo se coloca dentro de la célula de interés.

Detecta el más pequeño, cambio gradual en el potencial eléctrico que conduce a potenciales de acción, y permite un análisis mas detallado de la comunicación de neuronas a través de un circuito.  Es posible observar directamente los cambios en el potencial membranal subyacente en las conexiones sinápticas de cada elemento de el reflejo miotático. o La calificación del potencial de activación puede ocurrir en receptores o sinapsis y se conocen como, potenciales receptores o potenciales sináptico. La actividad eléctrica puede ser medida de manera extracelular e intracelular, y define la relación funcional entre las neuronas en el circuito Imágenes de calcio (“calcium imaging”) – registra los cambios transitorios en la concentración intracelular de iones de calcio asociado con el posible disparo de un potencial de acción  Los canales de calcio establecen corrientes que conducen a cambios de voltaje en las neuronas  El calcio es un segundo mensajero importante  Método que se basa en cambios de intensidad de la flueorescencia causado por la actividad eléctrica puede visualizar la actividad neuronal en una gran numero de células individuales Los indicadores de calcio sensibles de voltaje se pueden introducir directamente en rebanadas de neuronas vivas o en cultivos primarios de neurona basado en las propiedades osmóticas de la solución.  Los genes que codifican calcio o proteínas sensibles al voltaje pueden introducirse en animales transgénicos para un control mas preciso de donde y cuando las proteínas están disponibles para medir la actividad en el animal vivo. 

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Optogenetica – herramienta de genética molecular que emerge por consecuencia de la identificación y la clonación de bacterias, canales denominados opsins  Como los “opsins” modulan la membrana cuando absorben fotones, la luz se puede utilizar para controlar la actividad neuronal cuando los cromóforos bacterianos están incorporados en la membrana de cualquier neurona. Tres “opsins” bacterianas utilizadas para modificar la excitabilidad neuronal  “Bacteriorhodopsin”  Tiene una red de efectos hiperpolarizantes  Conduce iones de hidrogeno desde dentro de la célula a fuera de la célula  “Halorhodopsin”  Tiene una red de efectos hiperpolarizantes  Conduce iones de cloro desde a fuera de la célula a dentro de la célula  “Channelrhodopsin”  Conduce cationes como aniones, y provee hiperpolarización como

despolarización dependiendo de sus variantes y la onda de luz que se utilice. Una vez que “opsins” se expresa en las neuronas vivas, estas neuronas pueden ser iluminadas por ondas específicas de luz y la actividad neuronal puede ser manipulada con un alto grado de resolución espacial y temporal, debido a la iluminación

microscópica de una o mas células nerviosas etiquetadas con opsin. Este enfoque se puede utilizar durante la ejecución de tareas especificas para evaluar el papel de la optogenética de neuronas modificadas en el rendimiento de la tarea.

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La distinción funcional mas general divide las colecciones en o

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Sistema sensorial que adquieren y procesan información desde los entornos internos y externos Sistema motor que responde a esa información generando

movimientos Un alto numero de células y circuitos que se encuentran ...