Introducción al sistema nervioso

Fig. 1

La habilidad de un animal para sobrevivir y mantener la homeostasis depende bastante de cuán eficazmente detecta y responde a los estímulos: cambios en su entorno. La mayoría de los animales cuentan con un sistema nervioso que toma información, la transmite a la médula espinal y al cerebro, donde es integrada, y luego responde. El sistema nervioso está compuesto principalmente de dos tipos especializados de células: las neuronas y las células gliales.

Si observa la imagen de la derecha , verá que las neuronas(en este caso humanas) activan las células nerviosas en el sistema nervioso. La manera exacta en que los animales responden a estímulos depende de cómo están organizadas y conectadas sus neuronas entre sí. Una sola neurona en el cerebro de los vertebrados puede estar conectada funcionalmente con miles de otras neuronas.  (Fig.1)

El sistema nervioso es el sistema regulatorio más importante en los animales. La regulación requiere comunicación, y el sistema nervioso transmite información hacia todas las partes del cuerpo y desde ellas. Además, el sistema endocrino trabaja con el sistema nervioso para regular muchos comportamientos y procesos fisiológicos. En general, el sistema endocrino proporciona una regulación relativamente lenta y a largo plazo, mientras el sistema nervioso responde en forma rápida, pero breve. 

Los sistemas nerviosos

En la biodiversidad animal hay dos tipos de sistemas nerviosos, un sistema nervioso difuso, como en los Cnidarios y un sistema nervioso centralizado, encontrado en diversos grados en organismos más complejos. 

Fig. 2 Organización del sistema nervioso centralizado de los vertebrados

En el ser humano se puede encontrar un ejemplo de un sistema nervioso complejo, en donde los principales órganos de los sentidos se localizan en la cabeza y lográndose en el proceso evolutivo la máxima expresión de la cefalización al concentrarse casi todos los cuerpos neuronales del sistema nervioso en el cerebro y en la médula espinal. (Fig. 2 y 3).  Los axones se agregan para formar nervios y tractos en sistemas nerviosos complejos. Un nervio consta de cientos e inclusive miles de axones envueltos entre sí en tejido conectivo . Es posible comparar un nervio con un cable telefónico. Los axones individuales corresponden a los alambres que corren a lo largo del cable, y las vainas y los revestimientos de tejido conectivo corresponden al aislamiento. Dentro del SNC, los haces de axones se denominan tractos o vías, en lugar de nervios. Fuera del SNC, los cuerpos celulares de las neuronas suelen estar agrupados en masas denominadas ganglios. Dentro del SNC, los grupos de cuerpos celulares suelen denominarse núcleos, en vez de ganglios. 

Fig. 3 Sistema Nervioso Humano

¿Cómo están organizados los sistemas nerviosos?

La mayoría de las conductas están controladas por rutas compuestas por cuatro elementos (Fig. 4):

• Las neuronas sensoriales : responden a un estímulo, ya sea interno o externo al cuerpo 
• Las interneuronas: reciben señales de las neuronas sensoriales, hormonas, neuronas que almacenan recuerdos y muchas otras fuentes. Con base en esta información, a menudo las interneuronas activan las neuronas motrices. 
• Las neuronas motrices: reciben instrucciones de las neuronas sensoriales o interneuronas y activan músculos o glándulas. 
• Los efectores, que por lo general son músculos o glándulas, llevan a cabo la respuesta dirigida por el sistema nervioso. 

Las conductas sencillas, como reflejos, pueden ser controladas por la actividad con tan solo 2 o 3 neuronas (una neurona sensorial, una neurona motora y quizá una interneurona), estimulando posteriormente un sólo músculo. En los seres humanos, los reflejos simples, como la conocida reacción refleja de la rodilla o los reflejos de retiro ante el dolor, son producidos por las neuronas de la médula espinal. 

Las conductas complejas están organizadas por rutas neuronales interconectadas, en las que varios tipos de información sensorial (con recuerdos, hormonas y otros factores) convergen en un grupo de interneuronas. Así se "decide", se modula qué hacer y estimulan a las neuronas motrices para dirigir la actividad apropiada en músculos y glándulas. Tal vez se requieran cientos o incluso millones de neuronas, sobre todo en el cerebro para realizar acciones complejas como tocar el piano, pero los principios básicos siguen siendo los mismos.

Respuesta a un estímulo

Fig.4 

Es importante recordar que sin importar que el estímulo se origine en el mundo exterior o dentro del cuerpo, la información debe ser recibida, transmitida al sistema nervioso central (SNC), integrada y luego transmitida a los efectores, que son músculos o glándulas que llevan a cabo alguna acción, la respuesta real. (Fig. 4)

La información fluye a través del sistema nervioso en la siguiente secuencia:

1°- recepción por el receptor sensorial 
2°- transmisión por la neurona aferente 
3°- integración por interneuronas en el SNC
4°- transmisión por la neurona eferente 
5°- acción por los efectores

Las neuronas y las células gliales son únicas en el sistema nervioso. Las neuronas están especializadas en recibir y enviar información. Las células gliales sostienen y protegen las neuronas y llevan a cabo muchas funciones regulatorias.

Las neuronas reciben estímulos y transmiten señales neuronales

La neurona está altamente especializada en recibir y transmitir información. Las neuronas producen y transmiten señales eléctricas denominadas impulsos nerviosos o potenciales de acción. La neurona se diferencia de todas las demás células por sus largas proyecciones (extensiones citoplasmáticas) como lo muestra la imagen de la neurona multipolar (Fig. 5)

Fig. 5. Estructura de la neurona multipolar: El cuerpo contiene la mayoría de los organelos, muchas dendritas y un solo axón se extienden desde el cuerpo de la célula. Las células de Schwann forman una vaina de mielina que rodea al axón como un pionono, dejando espacios sin cubrir la membrana plasmática del axón, los nodos de Ranvier

Fig. 6

La porción más grande de la neurona, el cuerpo de la célula, contiene al núcleo, la mayor parte del citoplasma y casi todos los organelos. Por lo común, dos tipos de procesos se proyectan desde el cuerpo de la célula de una neurona multipolar. Numerosas dendritas se prolongan desde un extremo, y un largo y único axón se prolonga desde el extremo opuesto. Las dendritas son procesos típicamente cortos bastante ramificados especializados en recibir estímulos y enviar señales al cuerpo de la célula.  El cuerpo de la célula integra las señales de entrada. Aunque su diámetro es microscópico, el axón puede medir 1 m o más de longitud (por ejemplo el axón que forma parte del nervio que llega a tu pie) y puede dividirse, formando ramas denominadas colaterales del axón. El axón conduce impulsos nerviosos del cuerpo de la célula a otra neurona o a un músculo o una glándula. El axón se divide en su extremo, formando muchas ramas terminales que acaban en terminales sinápticas. Las terminales sinápticas liberan neurotransmisores, productos químicos que transmiten señales de una neurona a otra o de una neurona a un efector. La unión entre una terminal sináptica y otra neurona (o efector) se denomina sinapsis. Por lo regular hay un pequeño espacio entre estas dos células. (Fig. 6)

Fig. 7  La mielina acelera la conducción de los potenciales de acción, puesto que estos ocurren sólo en los nodos entre cada capa de mielina, saltando de un nodo a otro (flecha de color rojo), sin tardar casi nada en viajar por debajo de la mielina

En los vertebrados, los axones de muchas neuronas fuera del SNC están rodeados por una serie de células de Schwann. Las membranas plasmáticas de estas células gliales contienen mielina, un material blanco y graso. Las células de Schwann envuelven al axón con sus membranas plasmáticas, formando una cubierta aislante denominada vaina de mielina. Los espacios en la vaina de mielina, llamados nodos de Ranvier, existen entre células de Schwann consecutivas. En estos puntos el axón no está aislado con mielina. Los axones de más de 2 μm de diámetro tienen vainas de mielina y se describen como mielinizados. Los axones cuyo diámetro es menor suelen ser amielínicos. (Fig. 7)

¿Cómo trabajan los sistemas sensoriales?

Los receptores sensoriales detectan información sobre cambios en el ambiente externo e interno. Estos receptores constan de terminaciones neuronales específicas o células especializadas en estrecho contacto con las neuronas. Los receptores sensoriales, junto con otros tipos de células, constituyen órganos de los sentidos complejos, como los ojos, oídos, nariz y papilas gustativas. Una papila gustativa humana, por ejemplo, consta de células epiteliales modificadas que detectan productos químicos disueltos en la saliva. En el procesamiento sensorial tienen lugar varios pasos, incluyendo la recepción sensorial, la transducción de energía, la transmisión de la señal y la interpretación en el cerebro. Con cambios menores, así es como operan todos los sistemas receptores

fig. 8

Los receptores sensoriales reciben información

Los receptores sensoriales reciben estímulos del ambiente externo o interno. En el proceso de recepción, absorben una pequeña cantidad de energía de algún estímulo.  Cada tipo de receptor sensorial es especialmente sensible a una forma particular de energía. 

Los fotorreceptores del ojo humano son estimulados por una diminuta cantidad de luz y los receptores gustativos (quimiorreceptores) son estimulados por una cantidad minúscula de algún compuesto químico. 

Los receptores sensoriales transducen energía 

Los receptores sensoriales transducen, o convierten, la energía del estímulo en señales eléctricas, la moneda de información del sistema nervioso. Este proceso se conoce como transducción de energía. Cuando un receptor sensorial no está estimulado, mantiene un potencial de reposo; es decir, una diferencia en carga entre el interior y el exterior de la célula.    

La transducción acopla un estímulo con la apertura y cierre de canales de iones en la membrana plasmática de los receptores sensoriales. Se altera la permeabilidad de la membrana plasmática a varios iones. Un cambio en la distribución de iones ocasiona un cambio en tensión a través de la membrana. Si la diferencia en carga aumenta, el receptor se vuelve hiperpolarizado. Si el potencial disminuye, el receptor se vuelve despolarizado. Un cambio en el potencial de membrana es un potencial de receptor. 

Un potencial de receptor no activa directamente un potencial de acción, puesto que, el potencial de receptor es una respuesta graduada donde la magnitud del cambio depende de la energía del estímulo. (Fig. 9 y Fig. 11)

Fig. 9 Sinapsis

Fig 10: Canales iónicos activados por voltaje

Canales de Sodio: En estado de reposo, los canales del catión sodio activados por voltaje están cerrados (izq). Cuando el voltaje alcanza el nivel de umbral, las puertas de activación se abren rápidamente, dejando que pase el catión sodio hacia la célula (der). Al cabo de un tiempo, las puertas de inactivación se cierran, bloqueando los canales (en la imagen no se muestran). Las puertas de inactivación se abren cuando una neurona está en el estado de reposo; se cierran lentamente en respuesta a la despolarización. El canal iónico se abre sólo durante el breve periodo en que ambas puertas, de activación e inactivación, están abiertas. 

Canales de potasio: Los canales del catión potasio activados por voltaje tienen puertas de activación que se abren lentamente en la respuesta a la despolarización. La puertas de activación se cierran después de que se ha restaurado el potencial de reposo. Los canales de potasio no tienen puertas de inactivación. 

Si el receptor es una célula por separado, los potenciales de receptor estimulan la liberación de un neurotransmisor, que fluye a través de la sinapsis (Fig. 9) y se une a receptores sobre una neurona sensorial, también conocida como neurona aferente. Cuando una neurona sensorial se vuelve suficientemente despolarizada para alcanzar su nivel de umbral, se genera un potencial de acción. Así, los potenciales de receptor pueden generar potenciales de acción que transmiten información al sistema nervioso central (SNC). 

Muchos receptores son neuronas especializadas (Fig. 9), en lugar de células por separado. En estas neuronas, la región especializada de la membrana plasmática que transduce energía no genera potenciales de acción. La corriente generada por los potenciales de receptor fluye hacia una región a lo largo del axón, donde puede generarse un potencial de acción.

El proceso de recepción sensorial puede resumirse como la siguiente secuencia (Fig. 8): 

1. estímulo (como energía luminosa) 
2. el receptor sensorial absorbe energía del estímulo
3. transduce la energía del estímulo en energía eléctrica 
4. potencial de receptor 
5. potencial de acción en la neurona sensorial 
6. señal transmitida al SNC

Intensidad de los estímulos de las señales 

Fig. 12

La intensidad de los estímulos está determinada por la velocidad a la que las neuronas sensoriales individuales producen potenciales de acción, así como el número de neuronas activas. Por ejemplo, comparemos un pinchazo suave y uno fuerte (fig. 12), en el primer caso se activa sólo la neurona sensorial más cercana, que dispara potenciales de acción a baja velocidad. Pero en un estímulo más intenso, como puede ser el pinchazo, se activan también las neuronas sensoriales próximas al estímulo, provocando que la más ceca del punto del estímulo se active con rapidez y las más distantes con mayor lentitud. 

Solomon,  Berg & Martin, Biología (2013), 9na Edición, Cengage Learning, México

Audesirk et al (2013), Biología la vida en la Tierra, Pearson, México