Context
En els capítols anteriors hem reflexionat sobre el valor preeminent dels senyals elèctrics (creats per bombes, transportadors i canals), per desplegar els mecanismes de comunicació que són la raó de ser de les neurones. En aquest capítol i següents continuarem reflexionant sobre la idea que el sistema nerviós està organitzat amb estructures relativament simples i repetitives que operen amb pocs elements i amb mecanismes bàsics simples. Farem un recull explícit d’elements.
Un element cel·lular convencional amb morfologia única, però, la neurona.
En el decurs de l’evolució les neurones es diferencien amb la finalitat biològica de coordinar la complexitat dels organismes pluricel·lulars. Permeten la comunicació a distància (com els vasos sanguinis), però de forma molt més ràpida, precisa, eficaç i plàstica o adaptable amb l’aprenentatge.
La morfologia cel·lular de les neurones és complexa encara que respon a un pla general de disseny estructural prou simple. En realitat totes són semblants estructuralment i funcionalment al voltant d’un patró comú (soma, dendrites, axó i sinapsis). Aquestes cèl·lules tenen llargues prolongacions (morfologia ramificada única) per permetre comunicar senyals a distància directament, i a la vegada, segmenten àrees de recepció de senyals (dendrites i soma), d’integració (principalment soma i sobretot con axonal), de conducció (axó i fibra nerviosa) i transmissió (sinapsis) dels senyals que els arriben i dels que elles generen. Senyals que són polsos de corrent elèctric portats per ions.
Tanmateix, no hem de menystenir la capacitat de les neurones de realitzar la conducció o desplaçament de molècules per l’interior de les prolongacions en els dos sentits anterògrad i retrògrad, centrífug i centrípet, amb finalitat tròfica de manteniment i a una velocitat de l’ordre de centímetres per hora.
La morfologia neuronal també permet la formació de xarxes i circuits mitjançant les propietats de convergència i divergència de les prolongacions i dels senyals que hi discorren. L’òrgan més complex construït amb aquestes cèl·lules, el cervell humà, està format amb 1011 neurones en les seves xarxes, totes elles molt semblants al voltant del patró comú descrit. Una neurona pot rebre 104 connexions sinàptiques (2×103 de mitjana) provinents d’alguna, d’algunes poques o algunes desenes d’altres neurones. El total de sinapsis està al voltant de 2×1014 (200 milions de milions) i totes elles amb capacitat extraordinària d’adaptar-se plàsticament, en resposta a l’activitat que realitzen, amb la utilització que les neurones en fan, amb capacitat d’aprendre en definitiva. Una neurona també pot enviar senyals sinàptics a unes poques o a milers d’altres neurones o cèl·lules diverses com les musculars.
Una membrana cel·lular fosfolipídica universal
Les neurones posseeixen membranes fosfolipídiques universals que són la base de tots els aspectes de la senyalització elèctrica, la generació, recepció, integració, conducció i transmissió dels senyals. Cal dir, però, que els senyals elèctrics han de produir-se i modificar-se constantment per mantenir la personalitat de cada neurona que solament deixa de funcionar arran de què s’anul·len els gradients iònics amb la mort cel·lular. Una altra forma de fer referència a aquesta qüestió és que les membranes neuronals generen constantment corrents elèctrics, encara que sols sigui per la fluctuació espontània dels canals.
Algunes molècules especialitzades en la membrana amb poques espècies de cada classe però.
Malgrat el disseny bàsic de la membrana neuronal, del plasmolemma, hi trobem una acusada personalització i diferenciació de les molècules proteiques inserides. Tanmateix, amb la participació d’unes poques espècies de bombes, transportadors i co-transportadors, de canals i receptors suportats tròficament per la màquina de síntesi i degradació cel·lular. Amb la participació d’aquestes molècules el gros de l’activitat neuronal va dirigit a la gestió de senyals elèctrics.
Això no obstant, no cal passar per alt a les molècules de membrana que permeten el reconeixement de destí de les prolongacions i l’establiment i estabilització de connexions neuronals.
Uns pocs ions universals amb els seus gradients químics i els elèctrics que generen en les membranes.
Solament uns pocs ions universals fan relativament simple la generació de gradients i senyals: el sodi (Na) com a catió extracel·lular, el potassi (K) intracel·lular, el (Cl) com a l’anió més concentrat en l’exterior i el calci (Ca) catió extracel·lular amb múltiples funcions arran del seu desplaçament a l’interior cel·lular.
Amb les entrades i sortides d’aquests pocs ions es generen pràcticament totes les formes de corrents elèctrics en les cèl·lules i especialment en les neurones.
Dos tipus de senyals elèctrics: passius integrables i actius conductors.
La membrana neuronal allotja els diferents tipus de canals dels ions esmentats i la modificació de la seva probabilitat basal d’obertura o tancament quan són activats, permet produir corrents elèctrics transmembrana d’intensitat (picoampers) i duració (microsegons) variable. En la pràctica cal considerar el component dels corrents generats que implica el desplaçament de càrregues positives (cations) i negatives (anions) cap a l’interior neuronal.
Si els ions en el seu recorregut per l’estret porus central dels canals han anat dirigits linearment com per l’interior d’un cable virtual, en sortir cap al citosol discorren en moltes direccions, trobant dificultats de pas en estructures i molècules intracel·lulars. També poden influenciar als ions que troben, atraient els contraris i rebutjant i fent desplaçar als similars. Aquesta forma de discórrer les càrregues elèctriques s’anomena corrent passiu, ja que no respon a mecanismes actius de manteniment de la seva intensitat i trajectòria en el recorregut que fan a distància i, així, els corrents s’esmorteixen i desapareixen ràpidament. Aquestes situacions tenen lloc sobretot en les sinapsis on el corrent generat en el component postsinàptic té poc recorregut, i també com veurem en el capítol pròxim, en les membranes receptores de les cèl·lules neurosensorials.
Això no obstant, aquests corrents són prou petits per poder-se sumar tots els que coincideixen en un punt i moment donat, poden integrar-se per complir, probablement, la funció més significativa neuronal (per a les funcions diguem-ne superiors de la ment) que consisteix en la relació, la integració i associació de múltiples senyals.
Al contrari, en les llargues prolongacions neuronals que han de conduir informació elèctrica a distància, sovint grans distàncies, els corrents passius sumats algebraicament en un moment donat, en l’inici dels llargs axons (que per si soles no arriben gaire lluny), generen un altre tipus de senyal actiu, els anomenats potencials d’acció que no s’esmorteixen en la distància una vegada generats per uns canals iònics especialitzats (els canals de sodi sensibles a fluctuacions de voltatge en la seva proximitat). En el lloc on es produeixen, aquests senyals consumeixen completament tota la capacitat de la membrana dels axons per generar electricitat i, per tant, no es poden sumar diversos (ni dos tan sols) durant un curt període de temps.
Així és que solament hi ha dos tipus de senyals: passives integrables i actives conductores. Aquests dos tipus de senyals se succeeixen, una al darrere de l’altra en tots els circuits neuronals.
Dues classes de receptors: ionotròpics i metabotròpics.
L’eina fonamental en la comunicació intercel·lular consisteix en la interacció d’una molècula mediadora produïda per una cèl·lula emissora amb una molècula receptora present en una cèl·lula receptora que pot estar pròxima o allunyada. Els mediadors són hormones, citocines, interleucines, i neurotransmissors. El tipus genèric més estès de receptors són els anomenats metabotròpics. És a dir, receptors generalment situats en la membrana cel·lular, però no sols, i acoblats a una molècula transductora del senyal extern rebut cap a l’interior cel·lular. Aquest transductor és freqüentment una proteïna G que són molècules que fixen GTP i l’hidrolitzen. En fixar GTP s’activen i inicien una cascada enzimàtica metabòlica que dona com a resultat l’activació o inhibició d’una funció cel·lular en resposta a l’arribada del mediador inicial.
Aquesta forma de senyalització té un curs temporal de l’ordre de centenars de mil·lisegons a segons i una durada que pot ser de minuts. Entre les neurones, la proximitat de les cèl·lules veïnes en les sinapsis, li dona un plus favorable al mecanisme metabotròpic que és molt utilitzat localment en modulacions plàstiques de mitja i llarga durada, consolidació de circuits, etc.
Això no obstant, en el sistema nerviós la velocitat de comunicació és ben segur un dels principals valors i el temps s’ha de situar en molt pocs mil·lisegons. Aquestes velocitats les poden aportar els corrents elèctrics al través de canals, generats amb la força motora dels gradients químics i elèctric de la membrana. Així és que les molècules receptores sorgides durant l’evolució que porten en elles mateixes incorporat un canal iònic, generalment catiònic o aniònic, sense obviar el temps necessari per a la interacció del mediador amb el receptor, eviten el temps emprat en la cascada metabòlica intracel·lular dels receptors metabotròpics. Aquests receptors s’anomenen ionotròpics i juntament amb els metabotròpics ofereixen un amplíssim espectre de matisos en el temps i en la capacitat d’integració de la comunicació neuronal.
Cal dir que tant els receptors metabotròpics com els ionotròpics poden tenir representants capaços de realitzar també una acció excitadora o inhibidora, com les descrites pels neurotransmissors en l’apartat següent, segons permetin el pas de cations o d’anions.
Dues classes de neurotransmissors: Excitadors i inhibidors.
Així com hi ha dues classes de receptors, també hi ha dues classes de neurotransmissors: excitadors i inhibidors, amb poques espècies de cada classe. El que acaba determinant que una neurona individual funcioni completament, és a dir que condueixi i transmeti la informació que ha rebut i integrat, és l’arribada d’un nombre suficient de càrregues elèctriques positives a la proximitat dels canals de sodi sensibles a voltatge per promoure la seva obertura i iniciar potencials d’acció.
En moltes sinapsis el neurotransmissor activa receptors que donen com a resultat l’entrada d’ions positius en la superfície receptora de la neurona. Aquests corrents positius d’entrada, després de la seva integració, poden aportar algunes càrregues a l’inici de l’axó per activar els canals de sodi sensibles al voltatge. Si ho fan així, la neurona inicia la conducció del seu propi senyal i diem que s’ha excitat. Els neurotransmissors que han iniciat aquest tipus de procés s’anomenen excitadors i ocasionen l’aportació de càrregues positives a l’inici de l’axó. Donat que en repòs la cara interna de la membrana és negativa (la membrana està polaritzada com hem vist abans per l’efecte dels gradients d’ions), l’entrada de càrregues positives tendeix a despolaritzar-la puntualment i això és l’excitació. Despolarització és sinònim d’excitació.
Contràriament, en algunes sinapsis s’allibera un neurotransmissor que activa receptors que provoquen l’entrada de càrregues negatives (l’anió clor generalment). En tots els punts del citosol neuronal i moment considerat, les càrregues negatives s’oposen al corrent positiu i als seus efectes previsibles en la promoció de la conducció de l’axó. Els neurotransmissors que promouen aquest efecte contrari a l’excitació són inhibidors i en aportar càrregues negatives a l’interior de la membrana i citosol tenen un efecte hiperpolaritzant.
Totes les funcions del sistema nerviós les realitzen aquests, relativament pocs, elements, mentre gestionen senyals elèctrics que són iguals per tot arreu i el significat resideix solament en l’origen i destí final de cada senyal.