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FISIOLOGÍA, 2020/2021 1º Grado Medicina PRÁCTICAS DE ORDENADOR

PO 1 y 2. SIMULACIÓN DE POTENCIALES DE ACCIÓN CON EL PROGRAMA NEUROSIM INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS El sistema nervioso utiliza señales eléctricas para enviar información a través de sus neuronas hasta las células efectoras. Estas señales eléctricas se denominan potenciales de acción e incluyen cambios rápidos en el valor del potencial de la membrana plasmática provocados por la apertura/cierre de canales iónicos y por el movimiento de iones entre los compartimentos extracelular e intracelular. Para comprender las bases del funcionamiento del sistema nervioso y muscular es imprescindible dominar estos conceptos. El objetivo de esta práctica es reforzar la comprensión de los conocimientos sobre el potencial de acción adquiridos en clase mediante la utilización del programa informático Neurosim que permite simular el comportamiento de la membrana de una neurona en diferentes situaciones.

UTILIZACIÓN DEL PROGRAMA NEUROSIM • Abrid el programa Neurosim. Entrad en la primera opción 1: Hodgkin‐Huxley. Agrandad la pantalla, dentro aparecerán 4 ventanas. Dejad la ventana SETUP a la izquierda y la de RESULTS a la derecha, ocupando la mitad de la pantalla cada una. SETUP: ahí podéis cambiar las condiciones de la neurona (el estímulo que le damos a la neurona, el potencial de membrana, la intensidad del estímulo, la permeabilidad de los iones, etc…) RESULTS: en esta pantalla aparecen 4 gráficas, en todas el eje X es el tiempo. En el resto el eje Y es: 1: potencial de membrana: cambios en el voltaje (mV) 2: intensidad del estímulo 3: intensidad de la corriente del ion: movimiento de iones a través de la membrana. 4: conductancia de los iones: depende de nº canales abiertos (permeabilidad) y del gradiente de concentración. • En la ventana SETUP en el recuadro Current Clamp aparecen 2 estímulos. Quitad el segundo (pulse 2) dándole el valor de 0 µA. Estando en la ventana RESULTS id a la barra de herramientas y en Options→ Speed → Integration time step: 0.02 ms Slow‐down factor: 100 ms • En la pantalla RESULTS dad a Start. Observad los distintos gráficos que aparecen tras dar el estímulo. Dad a Traces para ver que significa cada uno de los colores. Si se quiere quitar/cambiar/añadir algo se puede hacer desde aquí. Cuando queramos borrar los gráficos ya realizados dar a Clear.

PREGUNTAS 1. Diferencias en las intensidades de los estímulos. Realizaremos incrementos en la intensidad del impulso y observaremos el comportamiento. Empezaremos desde una intensidad de 10 µA e iremos subiendo de 5 en 5 µA. Es decir: 10 µA, 15 µA, 20 µA, 25 µA … hasta que se produzca un potencial de acción. Esto se puede realizar de dos maneras: ‐ cambiando la intensidad de pulse 1 desde el cuadro de Setup ‐ en el cuadro de Results en la ventana de Increment. Seleccionar en el desplegable Amp1 y poner en el cuadro Step 5. Esto quiere decir que cada vez que pinchemos en Inc, se aumentará directamente en 5 µA el estímulo. Habrá que dar a Start para verlo.

Explica lo que ves en las distintas gráficas en el siguiente orden: 1) gráfica de potencial de la membrana, 2) gráfica de conductancia y después 3) gráfica de corriente iónica ¿Cómo se llama el valor límite con el que sealcanza el potencial de acción? 1) Gráfica de potencial de la membrana Cuando la intensidad del impulso sea menor que 30 microA, no habra potencial de acción ya que el potencial no sobrepasará el umbral. En cambio, a partir de 30 microA si se dará el potencial de acción, al producrse la apertura de los canales de Na+. El potencial de acción siempre será igual, es decir, no aumentara al aumentar la intensidad. No obstante el aumentar dicha intensidad si afectara en la rapidez en la que el umbral se alcanze y el potencial de acción se de. 2) Gráfica de conductancia Cuando la intensidad de estímulo sea menor que 30 microA, la concentración Na+ y de K+ será 0. Sin embargo, cuando la intestidad supere los 30 microA, la conductancia del sodio aumentará rápidamente al abrirse sus canales y produciéndose una desporalización. En el caso del K+, su conductancia aumentara de una manera más lenta y aumentara sobre todo cuando los canales de sodio se cierren y se abran los del potasio, produciéndose la repolarización. Como consecuencia, el potencial volverá a su situación inicial. 3) Gráfica de corriente iónica: ¿Cómo se llama el valor límite con el que se alcanza el potencial de acción? Esta gráfica está medida de forma extracelular. En el caso de que la intensidad del impulso sea menor de 30 μAL, la corriente de ambos 2 iones será nula (=0). Por otra parte, cuando la intensidad del impulso supera o iguala los 30 µA, la corriente del Na+ es negativa, al principio disminuirá un poco, luego aumentará, descenderá otra vez hasta establecerse de nuevo. La curvatura del Na+ será negativa porque los canales de Na+ se abrirán y el sodio entrará al interior de la célula, aumentando su concentración. La corriente del K+ será positiva y sólo aumentará una vez para volver a restablecerse. La concentración de iones aumentará en el exterior y por ello su curvatura es positiva.

El valor limite con el que se alcanza el potencial de acción se denomina potencial umbral.

Sigue aumentando la intensidad del estímulo. ¿Qué voltaje alcanza el potencial de la membrana? ¿Cómo se explica este fenómeno? Para poder ver las diferencias entre los distintos estímulos se pueden añadir en el gráfico algunas líneas adicionales (horizontales y verticales). Ir a Results y pinchando el botón derecho dar a Add vert datum line (vertical) o Add horz datum line (horizontal). Si se quieren borrar las líneas dar a Del All datum lines.

El potencial de membrana alcanzado es de +40 mV. La razón es que aunque aumentemos la intensidad del estímulo, el potencial de acción seguirá siendo el mismo, la única diferencia será que este se alcanzará antes.

2. Cambios en la permeabilidad de las membranas de los iones. Pon la intensidad del estímulo (µA) más pequeña que es capaz de provocar un potencial de acción (del ejercicio anterior). Baja la conductancia del sodio (max Na cond) como máximo 10 veces. ¿Qué sucede? ¿Por qué? ¿En qué partes de la neurona sucede esta situación? Si bajamos la permeabilidad del Na+ a 100mS, no es posible alcanzar el potencial de acción, ya que no entrará la cantidad de sodio requerida para excitar el umbral. Esta hecho tendrá lugar en la membrana plasmtica del axón neuronal. Pon de nuevo la conductancia de Na+ en su valor inicial (120) y cambia ahora la del K+ bajándola 9 veces. ¿Qué sucede? Compáralo con la situación inicial y comenta las diferencias explicando las causas.

El potencial de acción si se producirá, al igual que en la situación inicial. La razón es que como el K+ se queda dentro de la célula, al entrar el Na+, el potencial alcanza ms rpido las 40mV (el interior ya estaba más positivo sin que entrará el Na+). En cambio, la repolarización se dificultará al haber una disminución en la permeabilidad del K+.

3. Efecto de los estímulos consecutivos. Dar a Clear para borrar los gráficos anteriores y en el eje X y poner 20 ms (en vez de 10 ms) para poder ver 2 estímulos consecutivos en el tiempo.

Volver a los valores iniciales de permeabilidades del Na+ (120) y K+ (36) y añadir un segundo estímulo (pulse 2) de la misma intensidad (30 µA) que el primero. ¿Por qué el segundo estímulo no provoca un segundo potencial de acción? El segundo estímulo no provoca un segundo potencial de acción, porque el potencial de membrana no se ha restaurado todavía, al seguir en el periodo refractario absoluto. Por ello, sigue habiendo una concentración sde Na+ ms alta de lo normal en el interior celular y una concentración de K+ mayor en el exterior. Como consecuencia, no puede entrar el Na+ suficiente en la clula y no será posible alcanzar el umbral. *Una vez alcanzado el potencial de la membrana, existe este periodo refractario absoluto, en el queno se abren los canales y no se puede conseguir un segundo potencial de acción. Más tarde, habrá un periodo refractario relativo, en el que se puede `producir un potencial de acción pero será necesaria una intensidad mayor. La razón es que como el potencial de membrana está más negativo, le costara más llegar al umbral.

Aumenta 5 veces la intensidad del segundo estímulo. ¿Qué sucede? Sigue en el periodo refractario absoluto, no alcanza el umbral de excitabilidad y por tanto, no se produce otro potencial de acción.

En la ventana de Setup Current Clamp cambia el intervalo de tiempo entre los 2 estímulos y pon 8 ms (delay1: 0.5 y delay2: 8 ms). ¿Qué sucede? Después sube el intervalo de 2 en 2 ms. ¿Qué sucede ahora? Explica los resultados con los conceptos que conoces. Para aumentar de 2 en 2 ms el intervalo se puede usar también el cuadro Increment en la ventana Results. Seleccionar delay 2 y en step añadir 2.

A los 8 mS el potencial de membrana no se ha restaurado, el segundo potencial de acción no se transmite, por lo que se produce unicamente única despolarización. Llegados a los 20mS, si que se transmitirá el segundo potencial de acción. Tras pasar el periodo refractario absoluto, llega el periodo refractario relativo, en el que se puede producir un segundo potencial de membrana siempre que el segundo estímulo tenga una intensidad suficiente, es que como el potencial de membrana está más negativo, le costara más llegar al umbral.

Manteniendo el 2º estímulo a 12 ms del primero (delay2: 12 ms), volver a los valores iniciales de amplitud (30 µA) en ambos estímulos. ¿Qué sucede ahora?

No se transmitirá un segundo potencial de acción porque, a pesar de que la neurona se encuentre en el periodo refractario relativo, la intensidad del estímulo no será suficiente como para alcanzar el umbral y que se produzca el segundo potencial de acción.

Incrementa 5 veces la intensidad del segundo estímulo (pulse 2; 150 µA). ¿Qué sucede? ¿Cómo se explica este fenómeno?

En este caso sí que se producirá el segundo potencial de acción. Al encontrarse la célula en el periodo refractario relativo, ser suficientemente elevada la intensidad del estímulo, se dará la apertura de los canales de Na+ y K+ dependientes de voltaje.

4. Efecto de distintas neurotoxinas sobre el potencial de acción. Vuelve a las condiciones iniciales del estímulo (solo 1 estímulo) que provocan la aparición del potencial de acción (30 µA). Después añade en la ventana de Setup las distintas neurotoxinas de una en una. TTX: tetradotoxina; TEA: tetraetil amonio; Scorp Tx: toxina del escorpión. Se puede ver el mecanismo de acción de cada toxina mirando en la ventana de Results pinchando en el cuadro Model.

Explica el efecto de cada una de las toxinas y la relación con los potenciales de acción y conla

permeabilidadde los canales iónicos.

TTX: Los canales de Na+ se bloquean y no se produce el potencial de acción, por lo que será imposible que se de la despolarización. Esto implicaría una parálisis de todo el cuerpo ya que sin la despolarización no habrá impulsos nerviosos. TEA: Bloque los canales de K+. Como consecuencia, si se produce un potencial de acción pero la repolarización será dificultada, llegando a imposibilitarla. Scorp TX: Mantiene abierta la compuerta de inactivación del canal de Na+ al bloquearla. Como consecuencia, impide la repolarización, porque continuará entrando Na+ constantemente.

5. Integración de los potenciales locales en neuronas. Salir del modelo Huxley‐Hodgkin e ir a Network. Barra de herramientas→ Model → Network. Con este modelo podemos ver el efecto de los potenciales locales en el cuerpo de la neurona y la capacidad de provocar potenciales de acción en la zona de disparo o gatillo. Este modelo describe lo que sucederá en dos neuronas que hacen sinapsis cuando a la primera neurona se le aplican varios estímulos de diferente intensidad y/o duración. Aparecen dos gráficas, que se corresponden a la neurona presináptica y postsinápica respectivamente. Observad que la escala de tiempo es diferente a la del ejercicio anterior (las unidades son segundos y en el anterior milisegundos).

• Integración de estímulos simultáneos. Cambiad la duración (dur) y el intervalo entre cada uno de los estímulos (delay) a 0.05 s en los dos estímulos. Después variad la intensidad de los estímulos (amp) según las siguientes condiciones y ver qué ocurre en cada una de las neuronas N1 y N2. Observad que la intensidad de los estímulos es del orden de 1000 veces menor que en el ejercicio anterior.

a) Estímulo 1: 20 nA

Estímulo 2: 0 nA

Se da una única despolarización. El estmulo 1 produce una despolarización en la neurona presinptica, pero este estímulo no es lo suficientemente intenso como para producir otra despolarización en la neurona postsináptica. b) Estímulo 1: 20 nA

Estímulo 2: ‐20 nA

Como los dos estímulos tienen la misma duración, llegarán al mismo tiempo, y al ser su intensidad es idéntica pero con signo opuesto, se contrarrestar´´an, por lo que no se producirá ningún potencial de acción.

c) Estímulo 1: 20 nA

Estímulo 2: 20 nA

La intensidad de los estímulos por separado no sería suficiente para alcanzar el umbra, sin embargo, en conjunto, al sumarse las intensidades sí que es posible que se dé. De todos modos, este potencial de acción no es lo suficientemente intenso como para generar otro potencial en la neurona postsinaptica.

d) Estímulo 1: 40 nA

Estímulo 2: 0 nA

Se da una única despolarización. El estmulo 1 produce una despolarización en la neurona presinptica, pero dicho estimulo no tendrá una intensidad lo suficientemente elevada como para que se produzca el potencial en la segunda neurona.

e) Estímulo 1: 80 nA

Estímulo 2: 0 nA

En este caso la intensidad es lo suficientemente elevada como para permitir que en la segunda neurona se produzca un potencial de acción.

• Integración de estímulos en el tiempo. Dejamos los dos estímulos con una intensidad de 20 nA (capaz de provocar potenciales de acción en la N1si suceden a la vez. Vamos cambiando el intervalo entre ambos estímulos (delay 2) incrementando cada vez 0.01 s hasta que el valor sea 0.10 s. ¿Qué sucede? ¿Cómo se explica? A medida que aumente el intervalo de tiempo entre dos estímulos , disminuirá será la cantidad de sus potenciales de acción, debido al cierre temporal de sus canales. Una vez alcanzado el valor de 0.10 s ya no se producirá el potencial de acción....