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El papel de los canales iónicos activados por voltaje en las sinapsis químicas

El papel de los canales iónicos activados por voltaje en las sinapsis químicas


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Estoy tratando de comprender los mecanismos que subyacen a la generación del potencial de acción a nivel celular.

Normalmente, se hace hincapié en Voltaje- cambios de permeabilidad dependientes de los canales de potasio (K +) y sodio (Na +) que conducen a los respectivos cambios del potencial de membrana.

También típicamente, las sinapsis en el cerebro son sinapsis químicas (en contraste con la fracción más pequeña de sinapsis eléctricas, por ejemplo, en el hipocampo, que hacen uso de uniones gap para la transmisión de señales).

Mi confusión ahora es la siguiente: las sinapsis químicas dependen de los neurotransmisores para desencadenar cambios de permeabilidad. La explicación canónica de los potenciales de acción se refiere a dependiente de voltaje canales: ¿cómo van estas dos cosas juntas?


6.5 Biología IB: neuronas y sinapsis

Axón: fibra alargada que transmite señales eléctricas a regiones terminales para comunicarse con otras neuronas y efectores.

la bomba de sodio y potasio es una bomba activa que intercambia activamente iones de sodio y potasio.

expulsa 3 iones Na + por cada 2 iones K + admitidos.

Esto crea un gradiente electroquímico por el que el interior de la célula es relativamente negativo en comparación con el entorno extracelular.

A medida que los iones de Na + están más concentrados fuera de la membrana, la apertura de los canales de sodio crea un influjo pasivo de iones de sodio.

A medida que los iones de K + están más concentrados dentro de la membrana, la apertura de los canales de potasio provoca una entrada pasiva de iones de potasio.

los canales iónicos que ocupan la longitud del axón están activados por voltaje (se abren como respuesta a los cambios en los potenciales de membrana)

Por lo tanto, la despolarización en un punto del axón desencadena la apertura de canales iónicos en el siguiente segmento del axón.

En un estado de reposo normal, los canales de sodio se encuentran predominantemente fuera de la neurona y los iones de potasio principalmente en el interior.

Tras la despolarización (entrada de sodio) y la repolarización (salida de potasio), esta distribución iónica se invierte en gran medida.

Los potenciales de umbral se activan cuando la estimulación combinada de las dendritas supera un nivel mínimo de despolarización.

Hendidura sináptica: se liberan neurotransmisores que intentan cruzar la hendidura sináptica.

Los iones de calcio 2+ se difunden en la célula y promueven la fusión de vesículas que contienen neurotransmisores con la membrana celular.

los neurotransmisores se liberan del axón terminal por exocitosis y atraviesan la hendidura sináptica.

Los neurotransmisores se unen a receptores específicos en la membrana postsináptica y abren canales iónicos activados por ligandos.

la apertura de los canales iónicos genera un impulso eléctrico en el postsináptico, propagando la señal presináptica


La sinapsis o "ldquogap" es el lugar donde la información se transmite de una neurona a otra. Las sinapsis generalmente se forman entre los terminales de los axones y las espinas dendríticas, pero esto no es universalmente cierto. También hay sinapsis de axón a axón, dendrita a dendrita y axón a cuerpo celular. La neurona que transmite la señal se llama neurona presináptica y la neurona que recibe la señal se llama neurona postsináptica. Tenga en cuenta que estas designaciones son relativas a una sinapsis particular y que las neuronas más profundas son presinápticas y postsinápticas. Hay dos tipos de sinapsis: química y eléctrica.

Sinapsis químicas

Cuando un potencial de acción alcanza el terminal del axón, despolariza la membrana y abre ( ce> ) canales. ( ce> ) iones entran en la célula, despolarizando aún más la membrana presináptica. Esta despolarización provoca ( ce> ) canales para abrir. Los iones de calcio que ingresan a la célula inician una cascada de señalización que hace que pequeñas vesículas unidas a la membrana, llamadas vesículas sinápticas, que contienen moléculas de neurotransmisores se fusionen con la membrana presináptica. Las vesículas sinápticas se muestran en la Figura 7.18, que es una imagen de un microscopio electrónico de barrido.

Figura 7.18. Esta imagen pseudocoloreada tomada con un microscopio electrónico de barrido muestra un terminal de axón que se abrió para revelar vesículas sinápticas (azul y naranja) dentro de la neurona. (crédito: modificación del trabajo de Tina Carvalho, datos de la barra de escala NIH-NIGMS de Matt Russell)

La fusión de una vesícula con la membrana presináptica hace que el neurotransmisor se libere en la hendidura sináptica, el espacio extracelular entre las membranas presináptica y postsináptica, como se ilustra en Figura 7.19. El neurotransmisor se difunde a través de la hendidura sináptica y se une a las proteínas receptoras en la membrana postsináptica.

Figura 7.19. La comunicación en las sinapsis químicas requiere la liberación de neurotransmisores. Cuando la membrana presináptica se despolariza, los canales de Ca2 + activados por voltaje se abren y permiten que el Ca2 + ingrese a la célula. La entrada de calcio hace que las vesículas sinápticas se fusionen con la membrana y liberen moléculas de neurotransmisores en la hendidura sináptica. El neurotransmisor se difunde a través de la hendidura sináptica y se une a los canales iónicos activados por ligando en la membrana postsináptica, lo que produce una despolarización o hiperpolarización localizada de la neurona postsináptica.

La unión de un neurotransmisor específico hace que se abran canales iónicos particulares, en este caso, canales activados por ligandos, en la membrana postsináptica. Los neurotransmisores pueden tener efectos excitadores o inhibidores sobre la membrana postsináptica, como se detalla en la tabla 7.2. Por ejemplo, cuando una neurona presináptica libera acetilcolina en la sinapsis entre un nervio y un músculo (llamada unión neuromuscular), se abren los canales de Na + postsinápticos. El Na + entra en la célula postsináptica y hace que la membrana postsináptica se despolarice. Esta despolarización se llama potencial postsináptico excitador (EPSP) y hace que la neurona postsináptica tenga más probabilidades de disparar un potencial de acción. La liberación de neurotransmisores en las sinapsis inhibitorias provoca potenciales postsinápticos inhibidores (IPSP), una hiperpolarización de la membrana presináptica. Por ejemplo, cuando el neurotransmisor GABA (ácido gamma-aminobutírico) se libera de una neurona presináptica, se une a los canales Cl & ndash y los abre. Los iones Cl & ndash ingresan a la célula e hiperpolariza la membrana, lo que hace que la neurona tenga menos probabilidades de disparar un potencial de acción.

Una vez que se ha producido la neurotransmisión, el neurotransmisor debe eliminarse de la hendidura sináptica para que la membrana postsináptica pueda & ldquoreset & rdquo y esté lista para recibir otra señal. Esto se puede lograr de tres maneras: el neurotransmisor puede difundirse lejos de la hendidura sináptica, puede ser degradado por enzimas en la hendidura sináptica o puede ser reciclado (a veces llamado recaptación) por la neurona presináptica. Varios fármacos actúan en este paso de la neurotransmisión. Por ejemplo, algunos medicamentos que se administran a pacientes con Alzheimer y rsquos actúan inhibiendo la acetilcolinesterasa, la enzima que degrada la acetilcolina. Esta inhibición de la enzima esencialmente aumenta la neurotransmisión en las sinapsis que liberan acetilcolina. Una vez liberada, la acetilcolina permanece en la hendidura y se puede unir y desvincular continuamente de los receptores postsinápticos.

Tabla 7: Función y ubicación del neurotransmisor
Neurotransmisor Ejemplo Localización
Acetilcolina & mdash SNC y / o SNP
Amina biogénica Dopamina, serotonina, norepinefrina SNC y / o SNP
Aminoácidos Glicina, glutamato, aspartato, ácido gamma-aminobutírico SNC
Neuropéptido Sustancia P, endorfinas SNC y / o SNP

¡Diseña y / o representa eventos en la sinapsis! A continuación, se ofrecen algunos consejos que le ayudarán a diseñar su actividad de revisión:

  • Deberá pensar en cuántos compañeros necesita para participar.
  • ¿Quién será qué estructura?
  • ¿Cómo se moverán sus compañeros y usted con respecto a los demás?
  • ¿Cuál es el objetivo general de cada movimiento que diseñas (cuál es la función de cada estructura)?

Sinapsis eléctricas

Si bien las sinapsis eléctricas son menos numerosas que las sinapsis químicas, se encuentran en todos los sistemas nerviosos y desempeñan funciones importantes y únicas. El modo de neurotransmisión en las sinapsis eléctricas es bastante diferente al de las sinapsis químicas. En una sinapsis eléctrica, las membranas presinápticas y postsinápticas están muy juntas y en realidad están conectadas físicamente por proteínas de canal que forman uniones gap. Las uniones de separación permiten que la corriente pase directamente de una celda a la siguiente. Además de los iones que transportan esta corriente, otras moléculas, como el ATP, pueden difundirse a través de los grandes poros de la unión gap.

Existen diferencias clave entre las sinapsis químicas y eléctricas. Debido a que las sinapsis químicas dependen de la liberación de moléculas de neurotransmisores de las vesículas sinápticas para transmitir su señal, existe un retraso de aproximadamente un milisegundo entre el momento en que el potencial del axón alcanza la terminal presináptica y el momento en que el neurotransmisor conduce a la apertura de los canales iónicos postsinápticos. Además, esta señalización es unidireccional. La señalización en las sinapsis eléctricas, por el contrario, es prácticamente instantánea (lo cual es importante para las sinapsis involucradas en los reflejos clave) y algunas sinapsis eléctricas son bidireccionales. Las sinapsis eléctricas también son más fiables, ya que es menos probable que se bloqueen y son importantes para sincronizar la actividad eléctrica de un grupo de neuronas. Por ejemplo, se cree que las sinapsis eléctricas en el tálamo regulan el sueño de ondas lentas y la interrupción de estas sinapsis puede causar convulsiones.

Suma de señales

A veces, un solo EPSP es lo suficientemente fuerte como para inducir un potencial de acción en la neurona postsináptica, pero a menudo múltiples entradas presinápticas deben crear EPSP aproximadamente al mismo tiempo para que la neurona postsináptica se despolarice lo suficiente como para disparar un potencial de acción. Este proceso se llama suma y ocurre en el montículo del axón, como se ilustra en la figura 7.20. Además, una neurona a menudo tiene entradas de muchas neuronas presinápticas y algunas excitadoras y algunas inhibidoras, por lo que las IPSP pueden cancelar las EPSP y viceversa. Es el cambio neto en el voltaje de la membrana postsináptica lo que determina si la célula postsináptica ha alcanzado su umbral de excitación necesario para disparar un potencial de acción. Juntos, la suma sináptica y el umbral de excitación actúan como un filtro para que la & ldquonoise & rdquo aleatoria en el sistema no se transmita como información importante.

Figura 7.20. Una sola neurona puede recibir entradas tanto excitadoras como inhibidoras de múltiples neuronas, lo que resulta en despolarización de la membrana local (entrada de EPSP) e hiperpolarización (entrada de IPSP). Todas estas entradas se suman en el montículo del axón. Si los EPSP son lo suficientemente fuertes para superar los IPSP y alcanzar el umbral de excitación, la neurona se activará.

Plasticidad sinaptica

Las sinapsis no son estructuras estáticas. Pueden debilitarse o fortalecerse. Se pueden romper y se pueden crear nuevas sinapsis. La plasticidad sináptica permite estos cambios, todos necesarios para el funcionamiento del sistema nervioso. De hecho, la plasticidad sináptica es la base del aprendizaje y la memoria. Dos procesos en particular, la potenciación a largo plazo (LTP) y la depresión a largo plazo (LTD) son formas importantes de plasticidad sináptica que ocurren en las sinapsis del hipocampo, una región del cerebro que participa en el almacenamiento de recuerdos.

Potenciación a largo plazo (LTP)

La potenciación a largo plazo (LTP) es un fortalecimiento persistente de una conexión sináptica. LTP se basa en el principio de Hebbian: las células que disparan juntas se conectan entre sí. Hay varios mecanismos, ninguno completamente comprendido, detrás del fortalecimiento sináptico observado con LTP. Un mecanismo conocido involucra un tipo de receptor de glutamato postsináptico, llamado receptores NMDA (N-metil-D-aspartato), que se muestra en la figura 7.21. Estos receptores normalmente están bloqueados por iones de magnesio; sin embargo, cuando la neurona postsináptica es despolarizada por múltiples entradas presinápticas en rápida sucesión (ya sea de una neurona o de múltiples neuronas), los iones de magnesio son expulsados ​​permitiendo que los iones de Ca pasen a la célula postsináptica. A continuación, los iones de Ca2 + que ingresan a la célula inician una cascada de señalización que provoca que un tipo diferente de receptor de glutamato, llamado AMPA (ácido alfa-amino-3-hidroxi-5-metil-4-isoxazolpropiónico), se inserte en la membrana postsináptica. , ya que los receptores AMPA activados permiten que los iones positivos entren en la célula. Por lo tanto, la próxima vez que se libere glutamato de la membrana presináptica, tendrá un efecto excitador mayor (EPSP) en la célula postsináptica porque la unión del glutamato a estos receptores AMPA permitirá que ingresen más iones positivos en la célula. La inserción de receptores AMPA adicionales fortalece la sinapsis y significa que es más probable que la neurona postsináptica se dispare en respuesta a la liberación de neurotransmisores presinápticos. Algunas drogas de abuso cooptan la vía LTP, y este fortalecimiento sináptico puede conducir a la adicción.

Depresión a largo plazo (LTD)

La depresión a largo plazo (LTD) es esencialmente lo contrario de la LTP: es un debilitamiento a largo plazo de una conexión sináptica. Un mecanismo conocido por causar LTD también involucra a los receptores AMPA. En esta situación, el calcio que ingresa a través de los receptores NMDA inicia una cascada de señalización diferente, que da como resultado la eliminación de los receptores AMPA de la membrana postsináptica, como se ilustra en la figura 7.21. La disminución de los receptores AMPA en la membrana hace que la neurona postsináptica responda menos al glutamato liberado por la neurona presináptica. Si bien puede parecer contradictorio, LTD puede ser tan importante para el aprendizaje y la memoria como LTP. El debilitamiento y la poda de las sinapsis no utilizadas permiten que se pierdan conexiones sin importancia y hace que las sinapsis que se han sometido a LTP sean mucho más fuertes en comparación.

Figura 7.21. La entrada de calcio a través de los receptores NMDA postsinápticos puede iniciar dos formas diferentes de plasticidad sináptica: potenciación a largo plazo (LTP) y depresión a largo plazo (LTD). La LTP surge cuando una sola sinapsis se estimula repetidamente. Esta estimulación provoca una cascada celular dependiente de calcio y CaMKII, que da como resultado la inserción de más receptores AMPA en la membrana postsináptica. La próxima vez que se libere glutamato de la célula presináptica, se unirá tanto a NMDA como a los receptores AMPA recién insertados, despolarizando así la membrana de manera más eficiente. El LTD ocurre cuando pocas moléculas de glutamato se unen a los receptores NMDA en una sinapsis (debido a una baja tasa de activación de la neurona presináptica). El calcio que fluye a través de los receptores NMDA inicia una cascada diferente dependiente de calcineurina y proteína fosfatasa 1, que da como resultado la endocitosis de los receptores AMPA. Esto hace que la neurona postsináptica responda menos al glutamato liberado por la neurona presináptica.

Para que una neurona dispare un potencial de acción, su membrana debe alcanzar ________.
una. hiperpolarización
B. el umbral de excitación
C. el período refractario
D. potencia postsináptica inhibitoria

Después de un potencial de acción, la apertura de canales ________ dependientes de voltaje adicionales y la inactivación de los canales de sodio, hacen que la membrana regrese a su potencial de membrana en reposo.
una. sodio
B. potasio
C. calcio
D. cloruro

¿Cuál es el término para los canales de proteínas que conectan dos neuronas en una sinapsis eléctrica?
una. vesículas sinápticas
B. canales iónicos activados por voltaje
C. proteína de unión gap
D. bombas de intercambio sodio-potasio

¿Cómo ayuda la mielina a la propagación de un potencial de acción a lo largo de un axón? ¿Cómo ayudan los nodos de Ranvier en este proceso?


Las sinapsis químicas son flexibles:

Cuando aprenda a actuar, recordará que el poder de acción es una respuesta de todo o nada. Eso significa que puede suceder o no. Las firmas sinápticas son muy variables. Una célula receptora es capaz de regular la cantidad de receptores que pueden unirse a su membrana. Tales cambios pueden llevar a fortalecer o ralentizar las conexiones. Las células postsinápticas y presinápticas pueden alterar drásticamente sus funciones distintivas de las células presinápticas y postsinápticas también pueden cambiar drásticamente. Además, depende del entorno interno o de las señales que se reciben de otras células. Un poder transformador en forma de plasticidad ayuda en la sincronización. Es un factor importante en la transformación de la energía y tiene un papel en el aprendizaje y la memoria.


Canales de calcio dependientes de voltaje

Los canales de calcio dependientes de voltaje (VGCC) son un grupo diverso de canales iónicos heteromultiméricos que responden a cambios en el potencial de membrana. Los VGCC se clasifican además en seis clases (tipo L, N, P, Q, R y T) según su sensibilidad a los bloqueos farmacológicos, la cinética de conductancia de un solo canal y la dependencia del voltaje (Reuter, 1996). Los canales de tipo T tienen un umbral de bajo voltaje para la activación, mientras que los de tipo L, N, P, Q y R son canales activados por umbral de alto voltaje. Los VGCC tienen funciones clave en la transducción de señales entre neuronas y varios estudios implican tipos específicos en diversas formas de plasticidad sináptica (Fig. 2).

Los canales iónicos de tipo L son necesarios para la LTP en las sinapsis entre las fibras musgosas y las neuronas piramidales CA3. Este tipo de LTP no depende de los receptores NMDA e implica el influjo de calcio postsináptico transportado por los VGCC de tipo L (Kapur et al, 1998). Los estudios de transmisión sináptica entre la amígdala basolateral y la circunvolución dentada del hipocampo han establecido un papel similar para los canales de calcio tipo L en la inducción de LTP (Niikura et al, 2004). De acuerdo con estas observaciones, la administración de nimodipina, un antagonista de los canales de calcio de tipo L, elimina la LTP y altera el condicionamiento del miedo en ratones (Shinnick-Gallagher et al, 2003). Curiosamente, las corrientes de calcio a través de los VGCC de tipo L en las neuronas CA1 del hipocampo aumentan durante el envejecimiento en ratas, lo que se acompaña de una marcada disminución en las facultades de aprendizaje y memoria. El tratamiento crónico con nimodipina mejora la pérdida de memoria, lo que sugiere que la entrada excesiva de calcio a través de los canales de calcio de tipo L afecta el aprendizaje y la memoria (Veng et al, 2003). Es intrigante que los pacientes con enfermedad de Alzheimer muestren una mayor expresión de VGCC de tipo L en el hipocampo en comparación con los individuos sanos (Coon et al, 1999). Este vínculo sugiere que los niveles aberrantes de los canales de calcio de tipo L podrían contribuir a las deficiencias de memoria en los pacientes con Alzheimer.

Otros VGCC implicados en la plasticidad sináptica incluyen los canales de calcio de tipo N, P, Q y R (Wu et al, 1999). Estos canales influyen en la liberación de neurotransmisores en el sistema nervioso central. Los canales de calcio de tipo P y Q son más efectivos que los canales de tipo N o R para desencadenar la liberación de neurotransmisores, probablemente porque estos últimos se localizan más lejos de los sitios de liberación (Wu et al, 1999). Por lo tanto, la modulación de la conductancia de los canales de calcio de tipo P y Q proporciona un mecanismo para ajustar la liberación del transmisor sináptico. Sin embargo, los canales de tipo R parecen transportar casi un tercio de la corriente total de calcio en las terminales presinápticas durante un potencial de acción presináptico (Wu et al, 1998). Este influjo de calcio es un componente importante de ciertas formas de plasticidad sináptica, por ejemplo, la inducción de LTP en las sinapsis entre las fibras musgosas y las neuronas del hipocampo CA3 requiere un aumento del calcio presináptico, pero es independiente de las corrientes de calcio postsinápticas. La actividad de los canales de calcio de tipo R está involucrada en la inducción de LTP en estas sinapsis, pero no es necesaria para la liberación rápida de neurotransmisores inducida por potenciales de acción únicos (Dietrich et al, 2003 ).


Aspectos compartidos y únicos de la compuerta de canal iónico dependiente de voltaje y ligando

Los canales iónicos activados por voltaje y ligando forman una gran superfamilia de proteínas de señalización unidas a la membrana que cumplen muchas funciones importantes en la salud y la enfermedad (Hille, 2001). Los canales iónicos activados por voltaje son los principales responsables de la generación y propagación de potenciales de acción en el tejido excitable (Stuart et al. 1997 Catterall et al. 2005 Jan & Jan, 2012) mientras que los canales iónicos activados por ligandos constituyen el cableado de las sinapsis químicas, aunque también afinan la fuerza sináptica durante períodos de actividad patrón sostenida y homeostasis alterada (Turrigiano, 2008 Nicoll, 2017). En conjunto, la actividad combinada de los canales iónicos activados por voltaje y ligando da lugar a muchos procesos fisiológicos complejos, desde la contracción del músculo cardíaco y esquelético hasta los comportamientos más enigmáticos del SNC, como la cognición y la memoria.

El estudio de los canales iónicos ha experimentado avances sin precedentes en los últimos años con la convergencia de varias disciplinas científicas sobre este importante tema de investigación. La biología estructural ha surgido como un enfoque líder para comprender la función de los canales iónicos y la acción de los fármacos (Gouaux y Mackinnon, 2005). Además, los avances recientes en las manipulaciones genéticas, particularmente en roedores, han permitido que a las familias de canales iónicos se les asignen roles distintos en la salud y la enfermedad. Para explorar esta área emergente de fisiología, La revista de fisiología patrocinó un simposio en la reunión de la Unión Internacional de Ciencias Fisiológicas de 2017 en Río de Janeiro, Brasil, titulado "Aspectos compartidos y únicos de los mecanismos de activación de los canales iónicos activados por ligando y voltaje". Presidido por diario editores Drs Yoshihiro Kubo y Derek Bowie, reunió a cinco investigadores (ver Fig. 1) cuyo trabajo está a la vanguardia de este campo de estudio en rápido desarrollo. Este número de La revista de fisiología reúne tres artículos de revisión oportunos y un documento original que captura algunas de las ideas, discusiones y debates que surgieron durante el simposio.

El Dr. Yoshihiro Kubo, del Instituto Nacional de Ciencias Fisiológicas de Japón, inauguró el simposio presentando datos recientes de su laboratorio, donde observaron el efecto inesperado del agente antiparasitario de amplio espectro ivermectina en el K + (o GIRK) que rectifica internamente la proteína G (o GIRK). canal (Chen et al. 2017). Desde su descubrimiento en muestras de suelo de bacterias tomadas cerca de un campo de golf japonés en la década de 1970 (Laing et al. 2017), la ivermectina ha demostrado ser uno de los medicamentos más eficaces utilizados por veterinarios y profesionales de la salud para combatir la infección parasitaria. Aunque su acción antihelmíntica está mediada principalmente por dirigirse a la actividad de los canales de cloruro activados por el glutamato de los nematodos para reducir la motilidad, la alimentación y el comportamiento reproductivo (Yates et al. 2003), también se ha demostrado que la ivermectina afecta a otras familias de canales iónicos como GABAA, receptores de acetilcolina nicotínicos y de glicina (Wolstenholme & Rogers, 2005). Esta naturaleza multifacética de la farmacología de la ivermectina es el tema principal de la revisión exhaustiva de Chen y Kubo, donde exploran las propiedades moduladoras compartidas y únicas de la ivermectina en una variedad de canales iónicos activados por ligandos (Chen y Kubo, 2018). La comprensión de la acción de la ivermectina en cada objetivo de canal iónico está bellamente ilustrada por el uso eficaz de los datos cristalográficos de rayos X por parte de los autores para comparar y contrastar los determinantes estructurales de cada bolsa de unión. Dada su hidrofobicidad, la ivermectina se une a los residuos que recubren las regiones transmembrana (TM) de los canales iónicos activados por el ligando del bucle Cys, como los canales de cloruro activados por el glutamato del nematodo y los receptores de glicina de los mamíferos. La unión de la ivermectina cerca de la superficie extracelular de la membrana plasmática es fundamental, ya que induce la rotación de las regiones TM para facilitar la apertura del canal. Sin embargo, sorprendentemente, la ivermectina se une a los canales GIRK en un sitio diferente, que se encuentra en la interfaz de la región TM y los dominios intracelulares (Chen et al. 2017). Los autores concluyen que, aunque la ivermectina se une a muchos objetivos de los canales iónicos, su valor clínico como fármaco con pocos efectos secundarios se debe a su unión preferida de alta afinidad a los canales de cloruro activados por glutamato de los nematodos.

La Dra. Cecilia Bouzat de la Universidad Nacional del Sur (UNS), Bahía Blanca, Argentina, presentó un trabajo reciente de su laboratorio sobre las propiedades funcionales y farmacológicas de los receptores nicotínicos de acetilcolina que contienen subunidades α7 (nAChR) (daCosta et al. 2011 Andersen et al. 2013, 2016 Nielsen et al. 2018). Aunque los nAChR se expresan en todo el cuerpo, los receptores α7 se concentran especialmente en el cerebro de los mamíferos, donde exhiben funciones ionotrópicas y metabotrópicas (Wu et al. 2016 Kabbani y Nichols, 2018). También están implicados en varios trastornos del SNC (Dineley et al. 2015) y, en consecuencia, ha existido la necesidad de desarrollar fármacos selectivos. El artículo de revisión de Bouzat y colegas (Bouzat et al. 2018) destaca estos avances recientes en nuestra comprensión del nAChR α7. La potenciación del receptor α7 se ha identificado como una nueva estrategia terapéutica para tratar varios trastornos neurodegenerativos, incluidas las enfermedades de Alzheimer y Parkinson, y los trastornos inflamatorios, mientras que los fármacos que reducen la actividad del receptor pueden ser beneficiosos en el tratamiento de la proliferación de células cancerosas (Bouzat et al. 2018 ).

El Dr. Frank Bosmans de la Universidad Johns Hopkins en Baltimore, MD, EE. UU. Habló sobre el trabajo pionero que él y sus colegas han realizado utilizando toxinas animales para probar el comportamiento funcional de los canales iónicos activados por voltaje, particularmente los canales de Na + activados por voltaje (Nav). (Bosmans y Swartz, 2010 Kalia et al. 2015). Los canales de navegación activados por voltaje son los principales responsables del rápido aumento del potencial de acción en el músculo cardíaco y esquelético, además de ser parte integral de las complejas propiedades de activación de las neuronas centrales. Por lo tanto, no es sorprendente que los canales Nav estén involucrados en muchos procesos fisiológicos y también se hayan visto implicados en numerosas patologías que incluyen disfunción cardíaca, dolor neuropático y formas genéticas de epilepsia, como el síndrome de Dravet (Abriel, 2010 Catterall, 2012 Waxman, 2013 Chen-Izu et al. 2015). Dado todo esto, la comunidad de canales de navegación ha estado desarrollando una comprensión integral de cómo la arquitectura estructural de los canales de navegación se relaciona con su comportamiento funcional (Ahern et al. 2016). En el número actual de El periódico, Gilchrist y Bosmans presentan un artículo de investigación original que detalla cómo se pueden usar las toxinas animales para comprender la cinética de activación lenta de Nav1.8 (Gilchrist & Bosmans, 2018), un canal de navegación implicado en los mecanismos del dolor (Han et al. 2016). Para hacer esto, los autores introdujeron la sensibilidad a las toxinas en cada uno de los cuatro dominios del sensor de voltaje de Nav1.8 intercambiando sus secuencias con las de Nav1.2 para probar su papel en la activación e inactivación del canal. Usando este enfoque de quimera, Gilchrist y Bosmans concluyen que los dominios I-III del sensor de voltaje participan en la apertura del canal, mientras que el dominio IV del sensor de voltaje regula la apertura del canal, así como el inicio de la inactivación rápida (Gilchrist & Bosmans, 2018).

El Dr. Marc Gielen presentó un relato convincente de su trabajo postdoctoral con el Dr. Trevor Smart en el University College London, donde realizó un análisis integral de Cys-loop GABAA y desensibilización del receptor de glicina (Gielen et al. 2015). El artículo de revisión en coautoría con su colega, el Dr. Pierre-Jean Corringer, del Institut Pasteur de París, es un proeza tratado de biología estructural de los receptores de bucle Cys (Gielen & Corringer, 2018). Los autores argumentan que aunque el mecanismo de activación del receptor de bucle Cys se ha estudiado ampliamente tanto en el aspecto funcional (Lape et al. 2008 Mukhtasimova et al. 2009 Purohit et al. 2013) y estructural (Corringer et al. 2010 Althoff et al. 2014 Sauguet et al. 2014), la comprensión de la base estructural de la desensibilización apenas está comenzando a emerger (Miller y Aricescu, 2014). El trabajo funcional ya había argumentado que la desensibilización de los receptores nicotínicos de acetilcolina del bucle Cys implica dos puertas distintas, pero interrelacionadas (Auerbach y Akk, 1998), aunque su ubicación dentro del poro del canal iónico aún no se ha establecido. Los autores proponen que las puertas de activación y desensibilización son estructuralmente distintas y están ubicadas en cada extremo del poro del canal iónico. Esta propuesta es consistente con el mecanismo de "pie en la puerta" asignado al bloqueador de canales picrotoxina (Gielen et al. 2015) y modelado de Markov de activación de canales (Gielen & Corringer, 2018). Gielen y Corringer concluyen enfatizando la importancia del mecanismo de doble puerta de activación y desensibilización como una explicación común del comportamiento de varios canales iónicos estructuralmente no relacionados.

El Dr. Derek Bowie de la Universidad McGill en Montreal, Canadá, cerró el simposio con una presentación que se centró en los mecanismos estructurales y funcionales que definen las distintas familias del receptor ionotrópico de glutamato (iGluR). Los iGluR se expresan ampliamente en el cerebro de los vertebrados, donde median la gran mayoría de la transmisión excitadora rápida en las sinapsis centrales (Dingledine et al. 1999 Traynelis et al. 2010). No es sorprendente que los iGluR también estén implicados en muchos trastornos debilitantes del SNC (Bowie, 2008). A pesar de su arquitectura tetramérica similar y superpuesta (Sobolevsky, 2015), Bowie argumentó que el comportamiento de compuerta distintivo de las diferentes subfamilias de iGluR se puede vincular a diferencias en los residuos que recubren la interfaz entre dos bolsas de unión de subunidades que están dispuestas una tras otra. formación (Dawe et al. 2015). Esta región de la proteína a menudo se conoce como la interfaz del dímero del dominio de unión al ligando (LBD) y se reconoció a partir de los primeros estudios estructurales como un determinante importante de la compuerta del canal (Horning y Mayer, 2004 Bowie, 2010). Un trabajo reciente del laboratorio de Bowie ha demostrado que el vértice de la interfaz del dímero LBD es de importancia crítica para definir el comportamiento de activación rápida de milisegundos de los iGluR de tipo AMPA y kainato, así como su regulación por proteínas auxiliares (Daniels et al. 2013 Dawe et al. 2013, 2016). Concluyó que el trabajo en curso de su laboratorio sugería que la activación más tardía de los iGluR de tipo NMDA también estaba determinada por residuos en la interfaz del dímero LBD, pero de un sitio diferente. En conjunto, este trabajo destaca cómo los cambios sutiles pero críticos en la secuencia de aminoácidos que codifica la interfaz del dímero LBD pueden haber contribuido a la aparición de diferentes clases de iGluR durante la evolución.


Fuerza sináptica

La fuerza de una sinapsis se define por el cambio en el potencial transmembrana resultante de la activación de la receptores de neurotransmisores postsinápticos. Este cambio de voltaje se conoce como potencial postsináptico, y es un resultado directo de las corrientes iónicas que fluyen a través del canales receptores postsinápticos. Los cambios en la fuerza sináptica pueden ser a corto plazo y sin cambios estructurales permanentes en las neuronas mismas, que duran de segundos a minutos, o a largo plazo (potenciación a largo plazo o LTP), en los que la activación sináptica repetida o continua puede resultar en un segundo mensajero. moléculas que inician la síntesis de proteínas en el núcleo de la neurona, lo que da como resultado la alteración de la estructura de la sinapsis en sí. Se cree que el aprendizaje y la memoria son el resultado de cambios a largo plazo en la fuerza sináptica, a través de un mecanismo conocido como plasticidad sináptica.


183 Cómo se comunican las neuronas

Al final de esta sección, podrá hacer lo siguiente:

  • Describir la base del potencial de membrana en reposo.
  • Explicar las etapas de un potencial de acción y cómo se propagan los potenciales de acción.
  • Explicar las similitudes y diferencias entre las sinapsis químicas y eléctricas.
  • Describir la potenciación a largo plazo y la depresión a largo plazo.

Todas las funciones realizadas por el sistema nervioso, desde un simple reflejo motor hasta funciones más avanzadas como tomar una memoria o tomar una decisión, requieren neuronas para comunicarse entre sí. Mientras que los humanos usan palabras y lenguaje corporal para comunicarse, las neuronas usan señales eléctricas y químicas. Al igual que una persona en un comité, una neurona generalmente recibe y sintetiza mensajes de muchas otras neuronas antes de "tomar la decisión" de enviar el mensaje a otras neuronas.

Transmisión de impulsos nerviosos dentro de una neurona

Para que el sistema nervioso funcione, las neuronas deben poder enviar y recibir señales. Estas señales son posibles porque cada neurona tiene una membrana celular cargada (una diferencia de voltaje entre el interior y el exterior), y la carga de esta membrana puede cambiar en respuesta a moléculas de neurotransmisores liberadas por otras neuronas y estímulos ambientales. Para comprender cómo se comunican las neuronas, primero se debe comprender la base de la línea de base o carga de la membrana "en reposo".

Membranas cargadas neuronales

La membrana de la bicapa lipídica que rodea a una neurona es impermeable a las moléculas o iones cargados. Para entrar o salir de la neurona, los iones deben pasar a través de proteínas especiales llamadas canales iónicos que atraviesan la membrana. Los canales de iones tienen diferentes configuraciones: abiertos, cerrados e inactivos, como se ilustra en la (Figura). Algunos canales de iones deben activarse para que se abran y permitan que los iones entren o salgan de la celda. Estos canales iónicos son sensibles al medio ambiente y pueden cambiar su forma en consecuencia. Ion channels that change their structure in response to voltage changes are called voltage-gated ion channels. Voltage-gated ion channels regulate the relative concentrations of different ions inside and outside the cell. The difference in total charge between the inside and outside of the cell is called the membrane potential .


This video discusses the basis of the resting membrane potential.

Resting Membrane Potential

A neuron at rest is negatively charged: the inside of a cell is approximately 70 millivolts more negative than the outside (−70 mV, note that this number varies by neuron type and by species). This voltage is called the resting membrane potential it is caused by differences in the concentrations of ions inside and outside the cell. If the membrane were equally permeable to all ions, each type of ion would flow across the membrane and the system would reach equilibrium. Because ions cannot simply cross the membrane at will, there are different concentrations of several ions inside and outside the cell, as shown in (Figure). The difference in the number of positively charged potassium ions (K + ) inside and outside the cell dominates the resting membrane potential ((Figure)). When the membrane is at rest, K + ions accumulate inside the cell due to a net movement with the concentration gradient. The negative resting membrane potential is created and maintained by increasing the concentration of cations outside the cell (in the extracellular fluid) relative to inside the cell (in the cytoplasm). The negative charge within the cell is created by the cell membrane being more permeable to potassium ion movement than sodium ion movement. In neurons, potassium ions are maintained at high concentrations within the cell while sodium ions are maintained at high concentrations outside of the cell. The cell possesses potassium and sodium leakage channels that allow the two cations to diffuse down their concentration gradient. However, the neurons have far more potassium leakage channels than sodium leakage channels. Therefore, potassium diffuses out of the cell at a much faster rate than sodium leaks in. Because more cations are leaving the cell than are entering, this causes the interior of the cell to be negatively charged relative to the outside of the cell. The actions of the sodium potassium pump help to maintain the resting potential, once established. Recall that sodium potassium pumps brings two K + ions into the cell while removing three Na + ions per ATP consumed. As more cations are expelled from the cell than taken in, the inside of the cell remains negatively charged relative to the extracellular fluid. It should be noted that chloride ions (Cl – ) tend to accumulate outside of the cell because they are repelled by negatively-charged proteins within the cytoplasm.

The resting membrane potential is a result of different concentrations inside and outside the cell.
Ion Concentration Inside and Outside Neurons
Ion Extracellular concentration (mM) Intracellular concentration (mM) Ratio outside/inside
Na + 145 12 12
K+ 4 155 0.026
Cl − 120 4 30
Organic anions (A−) 100


Potencial de acción

A neuron can receive input from other neurons and, if this input is strong enough, send the signal to downstream neurons. Transmission of a signal between neurons is generally carried by a chemical called a neurotransmitter. Transmission of a signal within a neuron (from dendrite to axon terminal) is carried by a brief reversal of the resting membrane potential called an action potential . When neurotransmitter molecules bind to receptors located on a neuron’s dendrites, ion channels open. At excitatory synapses, this opening allows positive ions to enter the neuron and results in depolarization of the membrane—a decrease in the difference in voltage between the inside and outside of the neuron. A stimulus from a sensory cell or another neuron depolarizes the target neuron to its threshold potential (-55 mV). Na + channels in the axon hillock open, allowing positive ions to enter the cell ((Figure) and (Figure)). Once the sodium channels open, the neuron completely depolarizes to a membrane potential of about +40 mV. Action potentials are considered an “all-or nothing” event, in that, once the threshold potential is reached, the neuron always completely depolarizes. Once depolarization is complete, the cell must now “reset” its membrane voltage back to the resting potential. To accomplish this, the Na + channels close and cannot be opened. This begins the neuron’s refractory period , in which it cannot produce another action potential because its sodium channels will not open. At the same time, voltage-gated K + channels open, allowing K + to leave the cell. As K + ions leave the cell, the membrane potential once again becomes negative. The diffusion of K + out of the cell actually hyperpolarizes the cell, in that the membrane potential becomes more negative than the cell’s normal resting potential. At this point, the sodium channels will return to their resting state, meaning they are ready to open again if the membrane potential again exceeds the threshold potential. Eventually the extra K + ions diffuse out of the cell through the potassium leakage channels, bringing the cell from its hyperpolarized state, back to its resting membrane potential.


Potassium channel blockers, such as amiodarone and procainamide, which are used to treat abnormal electrical activity in the heart, called cardiac dysrhythmia, impede the movement of K + through voltage-gated K + channels. Which part of the action potential would you expect potassium channels to affect?


This video presents an overview of action potential.

Myelin and the Propagation of the Action Potential

For an action potential to communicate information to another neuron, it must travel along the axon and reach the axon terminals where it can initiate neurotransmitter release. The speed of conduction of an action potential along an axon is influenced by both the diameter of the axon and the axon’s resistance to current leak. Myelin acts as an insulator that prevents current from leaving the axon this increases the speed of action potential conduction. In demyelinating diseases like multiple sclerosis, action potential conduction slows because current leaks from previously insulated axon areas. The nodes of Ranvier, illustrated in (Figure) are gaps in the myelin sheath along the axon. These unmyelinated spaces are about one micrometer long and contain voltage-gated Na + and K + channels. Flow of ions through these channels, particularly the Na + channels, regenerates the action potential over and over again along the axon. This ‘jumping’ of the action potential from one node to the next is called saltatory conduction . If nodes of Ranvier were not present along an axon, the action potential would propagate very slowly since Na + and K + channels would have to continuously regenerate action potentials at every point along the axon instead of at specific points. Nodes of Ranvier also save energy for the neuron since the channels only need to be present at the nodes and not along the entire axon.


Transmisión sinaptica

The synapse or “gap” is the place where information is transmitted from one neuron to another. Synapses usually form between axon terminals and dendritic spines, but this is not universally true. There are also axon-to-axon, dendrite-to-dendrite, and axon-to-cell body synapses. The neuron transmitting the signal is called the presynaptic neuron, and the neuron receiving the signal is called the postsynaptic neuron. Note that these designations are relative to a particular synapse—most neurons are both presynaptic and postsynaptic. There are two types of synapses: chemical and electrical.

Chemical Synapse

When an action potential reaches the axon terminal it depolarizes the membrane and opens voltage-gated Na + channels. Na + ions enter the cell, further depolarizing the presynaptic membrane. This depolarization causes voltage-gated Ca 2+ channels to open. Calcium ions entering the cell initiate a signaling cascade that causes small membrane-bound vesicles, called synaptic vesicles , containing neurotransmitter molecules to fuse with the presynaptic membrane. Synaptic vesicles are shown in (Figure), which is an image from a scanning electron microscope.


Fusion of a vesicle with the presynaptic membrane causes neurotransmitter to be released into the synaptic cleft , the extracellular space between the presynaptic and postsynaptic membranes, as illustrated in (Figure). The neurotransmitter diffuses across the synaptic cleft and binds to receptor proteins on the postsynaptic membrane.


The binding of a specific neurotransmitter causes particular ion channels, in this case ligand-gated channels, on the postsynaptic membrane to open. Neurotransmitters can either have excitatory or inhibitory effects on the postsynaptic membrane, as detailed in (Figure). For example, when acetylcholine is released at the synapse between a nerve and muscle (called the neuromuscular junction) by a presynaptic neuron, it causes postsynaptic Na + channels to open. Na + enters the postsynaptic cell and causes the postsynaptic membrane to depolarize. This depolarization is called an excitatory postsynaptic potential (EPSP) and makes the postsynaptic neuron more likely to fire an action potential. Release of neurotransmitter at inhibitory synapses causes inhibitory postsynaptic potentials (IPSPs) , a hyperpolarization of the presynaptic membrane. For example, when the neurotransmitter GABA (gamma-aminobutyric acid) is released from a presynaptic neuron, it binds to and opens Cl – channels. Cl – ions enter the cell and hyperpolarizes the membrane, making the neuron less likely to fire an action potential.

Once neurotransmission has occurred, the neurotransmitter must be removed from the synaptic cleft so the postsynaptic membrane can “reset” and be ready to receive another signal. This can be accomplished in three ways: the neurotransmitter can diffuse away from the synaptic cleft, it can be degraded by enzymes in the synaptic cleft, or it can be recycled (sometimes called reuptake) by the presynaptic neuron. Several drugs act at this step of neurotransmission. For example, some drugs that are given to Alzheimer’s patients work by inhibiting acetylcholinesterase, the enzyme that degrades acetylcholine. This inhibition of the enzyme essentially increases neurotransmission at synapses that release acetylcholine. Once released, the acetylcholine stays in the cleft and can continually bind and unbind to postsynaptic receptors.

Neurotransmitter Function and Location
Neurotransmisor Ejemplo Localización
Acetilcolina CNS and/or PNS
Biogenic amine Dopamine, serotonin, norepinephrine CNS and/or PNS
Aminoácidos Glycine, glutamate, aspartate, gamma aminobutyric acid SNC
Neuropeptide Substance P, endorphins CNS and/or PNS

Electrical Synapse

While electrical synapses are fewer in number than chemical synapses, they are found in all nervous systems and play important and unique roles. The mode of neurotransmission in electrical synapses is quite different from that in chemical synapses. In an electrical synapse, the presynaptic and postsynaptic membranes are very close together and are actually physically connected by channel proteins forming gap junctions. Gap junctions allow current to pass directly from one cell to the next. In addition to the ions that carry this current, other molecules, such as ATP, can diffuse through the large gap junction pores.

There are key differences between chemical and electrical synapses. Because chemical synapses depend on the release of neurotransmitter molecules from synaptic vesicles to pass on their signal, there is an approximately one millisecond delay between when the axon potential reaches the presynaptic terminal and when the neurotransmitter leads to opening of postsynaptic ion channels. Additionally, this signaling is unidirectional. Signaling in electrical synapses, in contrast, is virtually instantaneous (which is important for synapses involved in key reflexes), and some electrical synapses are bidirectional. Electrical synapses are also more reliable as they are less likely to be blocked, and they are important for synchronizing the electrical activity of a group of neurons. For example, electrical synapses in the thalamus are thought to regulate slow-wave sleep, and disruption of these synapses can cause seizures.

Suma de señales

A veces, un solo EPSP es lo suficientemente fuerte como para inducir un potencial de acción en la neurona postsináptica, pero a menudo múltiples entradas presinápticas deben crear EPSP aproximadamente al mismo tiempo para que la neurona postsináptica se despolarice lo suficiente como para disparar un potencial de acción. This process is called summation and occurs at the axon hillock, as illustrated in (Figure). Additionally, one neuron often has inputs from many presynaptic neurons—some excitatory and some inhibitory—so IPSPs can cancel out EPSPs and vice versa. Es el cambio neto en el voltaje de la membrana postsináptica lo que determina si la célula postsináptica ha alcanzado su umbral de excitación necesario para disparar un potencial de acción. Juntos, la suma sináptica y el umbral de excitación actúan como un filtro para que el "ruido" aleatorio en el sistema no se transmita como información importante.


Interfaz cerebro-computadora
La esclerosis lateral amiotrófica (ELA, también llamada enfermedad de Lou Gehrig) es una enfermedad neurológica caracterizada por la degeneración de las neuronas motoras que controlan los movimientos voluntarios. La enfermedad comienza con el debilitamiento de los músculos y la falta de coordinación y, finalmente, destruye las neuronas que controlan el habla, la respiración y la deglución. Al final, la enfermedad puede provocar parálisis. En ese momento, los pacientes necesitan ayuda de máquinas para poder respirar y comunicarse. Se han desarrollado varias tecnologías especiales para permitir que los pacientes "encerrados" se comuniquen con el resto del mundo. Una tecnología, por ejemplo, permite a los pacientes escribir oraciones moviendo la mejilla. Estas oraciones se pueden leer en voz alta en una computadora.

A relatively new line of research for helping paralyzed patients, including those with ALS, to communicate and retain a degree of self-sufficiency is called brain-computer interface (BCI) technology and is illustrated in (Figure). This technology sounds like something out of science fiction: it allows paralyzed patients to control a computer using only their thoughts. Hay varias formas de BCI. Algunas formas usan registros de EEG de electrodos pegados al cráneo. Estas grabaciones contienen información de grandes poblaciones de neuronas que una computadora puede decodificar. Otras formas de BCI requieren la implantación de una serie de electrodos más pequeños que un sello postal en el área del brazo y la mano de la corteza motora. Esta forma de BCI, aunque más invasiva, es muy poderosa ya que cada electrodo puede registrar potenciales de acción reales de una o más neuronas. Luego, estas señales se envían a una computadora, que ha sido entrenada para decodificar la señal y enviarla a una herramienta, como un cursor en la pantalla de una computadora. Esto significa que un paciente con ELA puede usar el correo electrónico, leer Internet y comunicarse con otros pensando en mover la mano o el brazo (aunque el paciente paralizado no pueda realizar ese movimiento corporal). Los avances recientes han permitido a una paciente paralizada encerrada que sufrió un derrame cerebral hace 15 años controlar un brazo robótico e incluso alimentarse con café mediante la tecnología BCI.

A pesar de los asombrosos avances en la tecnología BCI, también tiene limitaciones. La tecnología puede requerir muchas horas de entrenamiento y largos períodos de intensa concentración para el paciente, también puede requerir cirugía cerebral para implantar los dispositivos.


Watch this video in which a paralyzed woman uses a brain-controlled robotic arm to bring a drink to her mouth, among other images of brain-computer interface technology in action.

Plasticidad sinaptica

Synapses are not static structures. They can be weakened or strengthened. They can be broken, and new synapses can be made. Synaptic plasticity allows for these changes, which are all needed for a functioning nervous system. In fact, synaptic plasticity is the basis of learning and memory. Two processes in particular, long-term potentiation (LTP) and long-term depression (LTD) are important forms of synaptic plasticity that occur in synapses in the hippocampus, a brain region that is involved in storing memories.

Long-term Potentiation (LTP)

Long-term potentiation (LTP) is a persistent strengthening of a synaptic connection. LTP is based on the Hebbian principle: cells that fire together wire together. There are various mechanisms, none fully understood, behind the synaptic strengthening seen with LTP. One known mechanism involves a type of postsynaptic glutamate receptor, called NMDA (N-Methyl-D-aspartate) receptors, shown in (Figure). These receptors are normally blocked by magnesium ions however, when the postsynaptic neuron is depolarized by multiple presynaptic inputs in quick succession (either from one neuron or multiple neurons), the magnesium ions are forced out allowing Ca ions to pass into the postsynaptic cell. Next, Ca 2+ ions entering the cell initiate a signaling cascade that causes a different type of glutamate receptor, called AMPA (α-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazolepropionic acid) receptors, to be inserted into the postsynaptic membrane, since activated AMPA receptors allow positive ions to enter the cell. So, the next time glutamate is released from the presynaptic membrane, it will have a larger excitatory effect (EPSP) on the postsynaptic cell because the binding of glutamate to these AMPA receptors will allow more positive ions into the cell. The insertion of additional AMPA receptors strengthens the synapse and means that the postsynaptic neuron is more likely to fire in response to presynaptic neurotransmitter release. Some drugs of abuse co-opt the LTP pathway, and this synaptic strengthening can lead to addiction.

Long-term Depression (LTD)

Long-term depression (LTD) is essentially the reverse of LTP: it is a long-term weakening of a synaptic connection. One mechanism known to cause LTD also involves AMPA receptors. In this situation, calcium that enters through NMDA receptors initiates a different signaling cascade, which results in the removal of AMPA receptors from the postsynaptic membrane, as illustrated in (Figure). The decrease in AMPA receptors in the membrane makes the postsynaptic neuron less responsive to glutamate released from the presynaptic neuron. While it may seem counterintuitive, LTD may be just as important for learning and memory as LTP. The weakening and pruning of unused synapses allows for unimportant connections to be lost and makes the synapses that have undergone LTP that much stronger by comparison.


Resumen de la sección

Neurons have charged membranes because there are different concentrations of ions inside and outside of the cell. Voltage-gated ion channels control the movement of ions into and out of a neuron. When a neuronal membrane is depolarized to at least the threshold of excitation, an action potential is fired. The action potential is then propagated along a myelinated axon to the axon terminals. In a chemical synapse, the action potential causes release of neurotransmitter molecules into the synaptic cleft. Through binding to postsynaptic receptors, the neurotransmitter can cause excitatory or inhibitory postsynaptic potentials by depolarizing or hyperpolarizing, respectively, the postsynaptic membrane. In electrical synapses, the action potential is directly communicated to the postsynaptic cell through gap junctions—large channel proteins that connect the pre-and postsynaptic membranes. Synapses are not static structures and can be strengthened and weakened. Two mechanisms of synaptic plasticity are long-term potentiation and long-term depression.

Preguntas de conexión visual

(Figure) Potassium channel blockers, such as amiodarone and procainamide, which are used to treat abnormal electrical activity in the heart, called cardiac dysrhythmia, impede the movement of K+ through voltage-gated K+ channels. Which part of the action potential would you expect potassium channels to affect?

(Figure) Potassium channel blockers slow the repolarization phase, but have no effect on depolarization.

Preguntas de revisión

For a neuron to fire an action potential, its membrane must reach ________.

  1. hyperpolarization
  2. the threshold of excitation
  3. el período refractario
  4. inhibitory postsynaptic potential

After an action potential, the opening of additional voltage-gated ________ channels and the inactivation of sodium channels, cause the membrane to return to its resting membrane potential.

What is the term for protein channels that connect two neurons at an electrical synapse?

  1. synaptic vesicles
  2. voltage-gated ion channels
  3. gap junction protein
  4. sodium-potassium exchange pumps

Which of the following molecules is no involved in the maintenance of the resting membrane potential?

Preguntas de pensamiento crítico

How does myelin aid propagation of an action potential along an axon? How do the nodes of Ranvier help this process?

Myelin prevents the leak of current from the axon. Nodes of Ranvier allow the action potential to be regenerated at specific points along the axon. They also save energy for the cell since voltage-gated ion channels and sodium-potassium transporters are not needed along myelinated portions of the axon.

What are the main steps in chemical neurotransmission?

An action potential travels along an axon until it depolarizes the membrane at an axon terminal. Depolarization of the membrane causes voltage-gated Ca 2+ channels to open and Ca 2+ to enter the cell. The intracellular calcium influx causes synaptic vesicles containing neurotransmitter to fuse with the presynaptic membrane. The neurotransmitter diffuses across the synaptic cleft and binds to receptors on the postsynaptic membrane. Depending on the specific neurotransmitter and postsynaptic receptor, this action can cause positive (excitatory postsynaptic potential) or negative (inhibitory postsynaptic potential) ions to enter the cell.

Describe how long-term potentiation can lead to a nicotine addiction.

Long-term potentiation describes the process whereby exposure to a stimulus increases the likelihood that a neuron will depolarize in response to that stimulus in the future. Nicotine exposure causes long-term potentiation of neurons in the amygdala, and activates reward centers of the brain. As nicotine exposure continues, long-term potentiation reinforces the activation of the reward pathways in response to nicotine consumption.

Glosario


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