Pràctica de simulació: Fisiologia del potencial d'acció i transmissió de l'impuls nerviós

Apartat 1. Potencial de membrana en repòs

Considerant les concentracions dels principals ions a ambdós costats de la membrana cel·lular:

Medi extracel·lular: 150 mM de $\text{Na}^+$, 5 mM de $\text{K}^+$.

Medi intracel·lular: 5 mM de $\text{Na}^+$, 150 mM de $\text{K}^+$.

a.

Expliqueu per què la membrana cel·lular en repòs presenta una càrrega neta negativa a l'interior respecte a l'exterior.

b.

Quin efecte produeix sobre el flux difusor de $\text{K}^+$ i sobre el potencial de repòs un increment del potassi extracel·lular?

c.

On s'obté la mesura de voltatge més negatiu en el registre de la neurona?

Apartat 2. Potencial d'acció: Llindar

S'ha aplicat una sèrie d'estímuls elèctrics creixents sobre un axó i s'han obtingut els registres en dos elèctrodes ($R_1$ i $R_2$) separats espacialment:

Stimulus Voltage (mV)

Peak Value at R1 (μV)

Peak Value at R2 (μV)

Action Potential

10

0

0

No

20

100

100

Yes

30

100

100

Yes

40

100

100

Yes

50

100

100

Yes

a)

A quin voltatge d'estímul se situa el llindar d'excitació? Quina propietat fonamental del potencial d'acció mostren les amplituds màximes enregistrades a partir d'aquest valor?

b)

A què es deu el retard temporal que s'observa en el registre del pic a $R_2$ respecte a $R_1$?

c)

Quina repercussió té sobre l'excitabilitat neuronal una hiperpolarització del potencial de membrana de repòs?

3. Apartat 3. Importància dels canals porta de Na+

Per determinar el paper dels canals dependents de voltatge de sodi en la propagació del potencial d'acció, s'aplica tetradotoxina (TTX) o lidocaïna entre dos punts de mesura $R_1$ i $R_2$, utilitzant un estímul constant de 30 mV:

Condition

Stimulus Voltage (mV)

Electrode

Peak Value 2 s (μV)

Peak Value 4 s (μV)

Peak Value 6 s (μV)

Peak Value 8 s (μV)

Peak Value 10 s (μV)

Control

30

R1

100

100

100

100

100

Control

30

R2

100

100

100

100

100

TTX

30

R1

100

100

100

100

100

TTX

30

R2

100

100

0

0

0

Lidocaine

30

R1

100

100

100

100

100

Lidocaine

30

R2

100

100

100

0

0

a)

Com actuen tant la tetradotoxina (TTX) com la lidocaïna sobre la generació de l'impuls nerviós?

b)

Per quina raó les lectures a l'elèctrode $R_1$ es mantenen inalterades a 100 μV malgrat l'administració de TTX o lidocaïna?

c)

Compareu el patró temporal del bloqueig observat entre el TTX i la lidocaïna a l'elèctrode $R_2$.

Apartat 4. Potencial d'acció: Períodes refractaris

Observeu el gràfic que representa l'evolució temporal de les diferents fases d'un potencial d'acció neuronal:

a)

Descriviu el mecanisme molecular que dona lloc a la fase d'hiperpolarització posterior i a la repolarització.

b)

Definiu període refractari absolut i relatiu a partir dels canals de $\text{Na}^+$ dependents de voltatge.

c)

D'acord amb els resultats de la simulació de doble estímul, quin és el valor del període refractari absolut (on falla el segon PA) i el rang del període refractari relatiu?

5. Apartat 5. Potencial d'acció: Codificació de l'estímul

A partir de la naturalesa de tot o res del potencial d'acció, responeu a les següents qüestions relacionades amb el processament de senyals en el sistema nerviós:

a)

Com aconsegueix el sistema nerviós transmetre i distingir la intensitat creixent d'un estímul si l'amplitud dels potencials d'acció és sempre constant?

b)

Quina resposta s'obté en aplicar un estímul de llarga durada sostingut per sobre del valor llindar un cop finalitzats els períodes refractaris?

Apartat 6. Potencial d'acció: Velocitat de conducció

S'ha caracteritzat la propagació del potencial d'acció en tres classes de fibres nervioses (A, B i C) amb una distància interestimuladora entre elèctrodes $R_1$ i $R_2$ de $0{,}1\text{ m}$ i un voltatge d'estímul de $30\text{ mV}$:

Axon Type

Myelination

Stimulus Voltage (mV)

Distance From R1 to R2 (m)

Time Between APs (msec)

Time Between APs (sec)

Conduction Velocity (m/sec)

A fiber

Heavy

30

0,1

2

0,002

50

B fiber

Light

30

0,1

10

0,01

10

C fiber

None

30

0,1

100

0,1

1

a)

Calculeu la velocitat de conducció per a cadascun dels tres axons utilitzant les dades de distància i temps de trànsit entre elèctrodes.

b)

Quins són els dos factors estructurals principals que determinen la velocitat de propagació de l'impuls nerviós i com justifiquen les diferències observades entre fibres A, B i C?

c)

Per què cal ajustar l'escala temporal del sistema de mesura en analitzar les fibres de tipus C?

7. Apartat 7. Transmissió sinàptica química

A la terminal axònica o botó sinàptic es produeix l'acoblament entre l'arribada del potencial d'acció elèctric i l'alliberament de neurotransmissors químics mitjançant exocitosi de vesícules sinàptiques.

a.

Quin ió és estrictament necessari en el medi extracel·lular per permetre l'alliberament de neurotransmissors a la fenedura sinàptica? Descriviu com s'activa la seva entrada.

b.

Quin efecte té l'addició d'ions magnesi ($\text{Mg}^{2+}$) sobre la funció de la terminal axònica?

c.

Com influeix l'arribada d'estímuls amb alta freqüència en la quantitat de vesícules alliberades i en la resposta del potencial postsinàptic?