REGULACIÓN Y COORDINACIÓN EN LOS ANIMALES PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN
UNIDAD 5. LA REGULACIÓN Y COORDINACIÓN EN ANIMALES
1. Los sistemas de coordinación. 2. Sistema nervioso: regulación y coordinación. La función de relación en los animales:
4.1. Impulso nervioso. 4.2. Transmisión intraneuronal. 4.3. Transmisión interneuronal.
5. El sistema nervioso como integrador y coordinador.
5.1. Sistemas nerviosos en invertebrados. 5.2. Sistema nervioso de vertebrados.
5.2.1. Sistema nervioso: central y períferico. 5.2.2.Sistema nervioso central: médula espinal y encéfalo. 5.2.3.Sistema nervioso periférico: somático y autónomo
5.3. Evolución de los sistemas nerviosos. 5.4. Componentes del proceso de coordinación.
6. Regulación y coordinación hormonal en animales.
Características específicas. Captación de información del medio. Receptores sensoriales en animales. Efectores: respuestas.
4. Neuronas: sensitivas y motoras.
3.1. 3.2. 3.3. 3.4.
6.1. Hormonas de invertebrados. 6.2. Hormonas de vertebrados.
7. Regulación y relación con el sistema nervioso. Eje hipotálamo-hipófisis 8. Empleo de las hormonas en los animales utilizados por el ser humano.
CENTRO DE MANDO Y CONTROL Se estima que el cerebro humano contiene cien mil millones de neuronas o células nerviosas. Cada neurona se puede comunicar con otras miles de otras neuronas en circuitos complejos de procesamiento de la información que hacen que los ordenadores más potentes parezcan primitivos.
Figure 48-01
CENTRO DE MANDO Y CONTROL
Las tecnologías recientes, que pueden registrar la actividad encefálica desde el exterior del cráneo de una persona. Una técnica es la resonancia magnética funcional (RMf). Durante la RMF el individuo está acostado con la cabeza dentro de un gran imán con forma de “rosquilla” que registra el aumento del flujo sanguíneo en las áreas encefálicas con neuronas activas. Un ordenador utiliza los datos para construir un mapa tridimensional de la actividad cerebral del individuo. Estos registros se pueden hacer mientras el individuo realiza varias tareas, como hablar, mover una mano, observar dibujos o formar una imagen mental de un objeto o del rostro de una persona.
LOS SISTEMAS DE COORDINACIÓN
Los animales disponen de sistemas de regulación y coordinación para mantener el equilibrio de su organismo y responder a las condiciones ambientales. Estos sistemas de coordinación son el sistema hormonal y el sistema nervioso.
Estímulo
Receptor
VÍA SENSORIAL
Modulador
Efector
VÍA MOTORA
Respuesta
COMPARACIÓN DE LOS DOS TIPOS DE SISTEMAS DE COORDINACIÓN EN ANIMALES CARACTERÍSTICAS
SISTEMA NERVIOSO
SISTEMA HORMONAL
Vía utilizada
Nervios
Medio interno
Velocidad de la respuesta
Rápida
Lenta
Duración de la respuesta
Breve
Prolongada
Especificidad de la respuesta
Muy específica
Poco específica
Funciones que regulan y coordinan
Locomoción, situaciones de peligro, adpataciones inmediatas
Crecimiento, desarrollo y metabolismo
PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN Existen tres etapas en el procesamiento de la información por los sistemas nerviosos: Aferencias sensitivas, integración y eferencias motoras Estas tres etapas son controladas por poblaciones especializadas de neuronas. Las neuronas sensitivas transmiten información desde los sensores que detectan estímulos externos (luz, sonido, tacto, calor, olor y gusto) y condiciones internas (presión arterial, nivel de anhídrido carbónico en sangre y tensión muscular) Esta información se envía al SNC, donde las inter neuronas integran (analizan e interpretan) las aferencias sensitivas y tienen en cuenta el contexto inmediato y lo que ha sucedido en el pasado. La máxima complejidad de los circuitos neuronales existe en las conexiones entre las interneuronas. Las eferencias motoras dejan el SNC a través de neuronas motoras, que se comunican con las células efectoras ( células musculares o células endocrinas).
LE 48-3
Aferencias sensitivas Sensor
Integracion
Eferencias motoras
Efector
Sistema nervioso perifĂŠrico (SNP)
Sistema nervioso Central (SNC)
ESTRUCTURA DE LAS NEURONAS
LE 48-5
DENDRITAS CUERPO CELULAR Nucleo
Cono Axonico CÉLULA PRESINÁPTICA
Dirección de la señal
Sinapsis
Axon
Vaína de mielina
terminaciones sinápticas
CÉLULA POSTSINÁPTICA
DIVERSIDAD ESTRUCTURAL DE LAS NEURONAS DE VERTEBRADOS
LE 48-6
Dendritas Axon
Cuerpo celular
Sensory neuron
Interneurons
Motor neuron
50 µm
LE 48-7
CÉLULAS DE LA GLIA Astrocitos En este corte a través de la corteza cerebral de un mamífero, los astrocitos se ven color verde después de ser marcados con un anticuerpo fluorescente MO. Los puntos azules son núcleos celulares, marcados con un anticuerpo diferente.
CÉLULAS DE LA GLIA
En un embrión, la glía radial forma recorridos a lo largo de los cuales migran las neuronas recién formadas desde el tubo neural, la estructura que da origen al SNC,. La glía radial y los astrocitos también pueden actuar como células madre y generar neuronas y otras células gliales. Algunos investigadores consideran que estos precursores mutipotenciales son una fuente potencial de sustituir neuronas y células gliales que se pierden por traumatismo o enfermedad.
LE 48-8
Nodo de Ranvier Capas de mielína Axon Célula de Schwann
Axon
Nodos de Vaína de mielina Ranvier
Célula de Schwann Núcleo de la Célula de Schwann 0.1 µm
LE 48-9
Microelectrodo –70 mV
Registrador de voltaje Electrodo de referencia
MÉTODO DE INVESTIGACIÓN
Los electrofisiólogos utilizan el registro intracelular para medir el potencial de membrana de las neuronas y otras células. Un microelectrodo está formado por un tubo capilar de vidrio lleno con una solución salina conductora de la electricidad. Un extremo del tubo se estrecha hasta llegar a una punta extremadamente fina (diamétro < 1mm). Mientras mira a través de un microscopio, el experimentador utiliza un micromanipulador para insertar el extremo del microelectrodo en una célula. Un registrador de voltaje, habitualmente, un osciloscopio o un sistema computarizado) mide el voltaje entre el extremo del microelectrodo en el interior de la célula y un electrodo de referencia colocado en la solución afuera de la célula.
LE 48-10
CITOSOL
LIQUIDO EXTRACELULAR
[Na+] 15 mM
[Na+] 150 mM
[K+] 150 mM
[K+] 5 mM
[Cl–] 10 mM
[Cl–] 120 mM
[A–] 100 mM MEMBRANA PLASMÁTICA
Potencial de reposo
El potencial de membrana de una neurona que no está trasmitiendo señales. En todas las neuronas, el potencial de reposo depende de los gradientes iónicos que existen a través de la membrana plasmática.
Los gradientes del Na+ y K+ se mantienen por la bomba sodio-potasio. El hecho de que los gradientes sean responsables del potencial de reposo se demuestra mediante un experimento simple: si se desactiva la bomba por el agregado de un veneno específico, los gradientes desaparecen en forma gradual y también desaparece el potencial de reposo
LE 48-11
CÁMARA INTERNA
–92 mV
CÁMARA EXTERNA
150 mM KCl
CÁMARA INTERNA 15 mM NaCl
5 mM KCl
+62 mV
CÁMARA EXTERNA
150 mM NaCl
Cl– K+ CANAL DE POTASIO
Cl
–
Artificial membrane
Membrane selectively permeable to K+
Na+ CANAL DE SODIO
Membrane selectively permeable to Na+
CANALES IONICOS REGULADOS
El potencial de reposo es el resultado de la difusión de potasio y sodio a través de canales iónicos que siempre están abiertos, se dice que estos canales son no regulados
Las neuronas tienen canales iónicos regulados, que se abren o se cierran en respuesta a uno de tres tipos de estímulos. Los canales iónicos activados por estiramiento se encuentran en células que detectan el estiramiento y se abren cuando la membrana se deforma mecánicamente. Los canales iónicos regulados por ligando se encuentran en la sinapsis y se abren o se cierran cuando una sustancia química específica, como un neurotransmisor, se une al canal. Los canales iónicos regulados por voltaje se encuentran en los axones (y en las dendritas y el cuerpo celular de algunas neuronas, así como en otros tipos de células) y se abren o se cierran cuando cambia el potencial de membrana.
LE 48-14a
Axon
Potencial de acci贸n
Na+
Se genera un potencial de acci贸n a medida que el Na+ fluye a trav茅s de la membrana en un lugar determinado
LE 48-14b
Axon
Action potential
Na+
Se genera un potencial de accion a medida que el Na+ fluye a través de la membrana en un lugar determinado
K+
Action potential
Na+
K+ La despolarización del potencial de acción se propaga hasta la región vecina de la membrana, lo que reinicia allí el potencial de acción. A la izquierda de esta región, la membrana se está repolarizando a medida que el K+ fluye hacia el exterior.
LE 48-14c
Axon
Action potential Na+
Se genera un potencial de accion a medida que el Na+ fluye a través de la membrana en un lugar determinado
K+
Action potential
Na+
K+
La despolarización del potencial de acción se propaga hasta la región vecina de la membrana, lo que reinicia allí el potencial de acción. A la izquierda de esta región, la membrana se está repolarizando a medida que el K+ fluye hacia el exterior. K+
Action potential Na+
K+
Se repite el piroceso de despolarización-repolarización en la siguiente región de la membrana. De esta forma, las corrientes locales de iones a través de la membrana plasmática determinan que el potencial de acción se propague a lo largo de la longitud del axón.
LE 48-12
+50
–50 Threshold Resting potential Hyperpolarizations 0 1 2 3 4 5 Time (msec)
Graded potential hyperpolarizations
+50
Membrane potential (mV)
0
Membrane potential (mV)
Membrane potential (mV)
+50
–100
Stronger depolarizing stimulus
Stimuli
Stimuli
0
–50 Threshold Resting potential
–100
0
–50 Threshold Resting potential
Depolarizations
0 1 2 3 4 5 Time (msec)
Graded potential depolarizations
Action potential
–100
0 1 2 3 4 5 6 Time (msec)
Action potential
PRODUCCIÓN DE POTENCIALES DE ACCIÓN
En la mayoría de las neuronas, las despolarizaciones son graduadas sólo hasta cierto voltaje de la membrana, denominado umbral. Un estímulo suficientemente fuerte como para producir una despolarización que alcanza el umbral desencadena un tipo diferente de respuesta, denominada potencial de acción.
Un potencial de acción es un fenómeno de todo o nada_ una vez desencadenado posee una magnitud que es independiente de la fuerza del estímulo desencadenante. Los potenciales de acción son las señales que transportan información a lo largo de los axones, a veces recorriendo largas distancias, como desde los dedos de los pies hasta la médula espinal.
POTENCIAL DE ACCIÓN
Los potenciales de acción de la mayoría de las neuronas son muy breves, de sólo 1-2 milisegundos de duración. Tener potenciales de acción breves permite a la neurona producirlos con alta frecuencia. Esto es importante porque las neuronas codifican información en la frecuendia de sus potenciales de acción.
Los canales de sodio regulados por voltaje como los canales de potasio regulados por voltaje participan en la producción de un potencial de acción. Ambos tipos de canales se abren por la despolarización de la membrana, pero responden de forma independiente y secuencial: los canales de Na+ se abren antes que los canales de K+.
CANALES IÓNICOS
Cada canal de Na+ regulado por voltaje tiene dos puertas, una puerta de activación y una puerta de inactivación, y ambas se deben abrir para que el Na+ difunda a través del canal. En el potencial de reposo, la puerta de activación está cerrada y la puerta de inactivación está abierta en la mayoría de los canales de Na+. La despolarización de la membrana abre rápidamente la puerta de activación y cierra lentamente la puerta de inactivación
Cada canal de K+ regulado por voltaje tienen sólo una puerta, una puerta de activación. En el potencial de reposo se cierra la puerta de activación en la mayoría de los canales de K+. La despolarización de la membrana abre lentamente la puerta de activación del canal del K+.
Cada canal de Na+ regulado por voltaje tiene dos puertas, una puerta de activación y una puerta de inactivación, y ambas se deben abrir para que el Na+ difunda a través del canal. En el potencial de reposo, la puerta de activación está cerrada y la puerta de inactivación está abierta en la mayoría de los canales de Na+. La despolarización de la membrana abre rápidamente la puertaCada canal de K+ regulado por voltaje tienen sólo una puerta, una puerta de activación. En el potencial de reposo se cierra la puerta de activación en la mayoría de los canales de K+. La despolarización de la membrana abre lentamente la puerta de activación del canal del K+. de activación y cierra lentamente la puerta de inactivación
LE 48-13_1
potencial de membrana (mV)
+50
0
–50
–100
Fluido extracelular
Na+
Canal de potasio
Potencial De acción
unbral Potencia de reposo Time
Puertas de activación
Membrana plamática Citosol
Estado de reposo
Canal de sodio
K+
Puerta de inactivación
LE 48-13_2
Na
Na
+
+
Membrane potential (mV)
+50
0
–50
K+
–100 despolarización
Extracellular fluid
Potassium channel
Na+
Action potential
Threshold Resting potential Time
Activation gates
Plasma membrane Cytosol
Estado de reposo
Sodium channel
K+
Inactivation gate
LE 48-13_2
Na
Na
+
+
Membrane potential (mV)
+50
0
–50
K+
–100 despolarización
Extracellular fluid
Potassium channel
Na+
Action potential
Threshold Resting potential Time
Activation gates
Plasma membrane Cytosol
Estado de reposo
Sodium channel
K+
Inactivation gate
LE 48-13_3 Na+
Na+
K+ Fase creciente del potencial de acción
Na+
Na+
Membrane potential (mV)
+50
0
–50
K
+
–100 despolarización
Extracellular fluid
Potassium channel
Na+
Action potential
Threshold Resting potential Time
Activation gates
Plasma membrane Cytosol
Estado de reposo
Sodium channel
K+
Inactivation gate
LE 48-13_4 Na+
Na+ Na+
Na+
K+ K+
Fase creciente de despolarización
Fase de caida de potencil de acción
Na+
Na+
Membrane potential (mV)
+50
0
–50
K
+
–100 Depolarización
Extracellular fluid
Potassium channel
Na+
Action potential
Threshold Resting potential Time
Activation gates
Plasma membrane Cytosol
Estado de reposo
Sodium channel
K+
Inactivation gate
LE 48-13_5 Na+
Na+ Na+
Na+
K+ K+
Fase creciente del potencial de acción
Fase de caída del potencial de acción
Na+
Na+
Membrane potential (mV)
+50
0
–50
K
+
–100 despolarización
Action potential
Threshold Resting potential Time
Na+
Na+ Extracellular fluid
Potassium channel
Na+
Activation gates K+
Plasma membrane Cytosol
Estado de reposo
hiperpolarizac Sodium channel
K+
Inactivation gate
LE 48-15
Célula de Schwann
Región despolarizada (nodo de Ranvier) Cuerpo celular Vaína de mielína Axon
CONDUCCIÓN SALTATORIA. En un axón mielínico, la corriente despolarizante durante un potencial de acción en un nodo de Ranvier, se propaga a lo largo del interior del azón hasta el nodo siguiente, donde se reinicia por si mismo. Por tanto, el potencial de acción salta de un nodo al otro a medida que viaja a lo largo del axón.
LE 48-16
Terminaciones sinápticas de las neuronas presinápticas
5 µm
Neurona postsináptica
LE 48-17
Célula presináptical
Célula postsináptica
Vesículas sinápticas Membrana Que contienen presináptica neurotransmisor
Na+ K+
Neurotransmisor Membrana postsináptica Canal iónico regulado por ligando
Canal de Ca Regulado por voltaje Membrana postsináptica
Ca2+
Hendidura sináptica
Canales ionicos Regulados por ligando
LE 48-2a
Nervio radial Red nerviosa
Hydra (cnidario)
Anillo nervioso
Estrella de mar (equinodermo)
LE 48-2b
Mancha ocular enc茅falo Cord贸n nervioso Nervio transversal
Planaria (platelminto)
enc茅falo
Cord贸n Nervioso ventral Ganglio segmentario
sanguijuela (anelido)
LE 48-2c
enc茅falo Cord贸n nervioso ventral Ganglios segmentarios Insecto (artropodo)
Ganglios Cord贸n Nervioso anterior Cordones Nerviosos longitudinales
Chiton (molusco)
LE 48-2d
encéfalo encéfalo Ganglios
calamar (molusco)
Médula Espinal Cordón Nervioso dorsal
Ganglios segmentarios
Salamandra (cordado)
LE 48-2
Eyespot Brain
Radial nerve Nerve net
Hydra (cnidarian)
Nerve cord
Nerve ring
Transverse nerve
Sea star (echinoderm)
Planarian (flatworm)
Brain Ventral nerve cord Segmental ganglion Leech (annelid) Brain
Brain Ventral nerve cord
Segmental ganglia Insect (arthropod)
Ganglia Anterior nerve ring Longitudinal nerve cords
Chiton (mollusc)
Brain Ganglia
Squid (mollusc)
Spinal cord (dorsal nerve cord)
Sensory ganglion
Salamander (chordate)
Table 48-1
LE 48-19 Sistema nervioso Central SNC
Sistema nervioso perifĂŠrico SNP
encĂŠfalo
Spinal cord
Nervios craneales Ganglios Exteriores Al SNC Nervios espinales
LE 48-20
Sustancia gris
Sustancia blanca
Ventriculos
LE 48-21
Sistema Nervioso periférico
Sistema Nervioso somático
Sistema Nervioso autónomo
División simpática
División parasimpática
División entérica
LE 48-4
Músculo cuádricep
Cuerpo celular de la neurona sensitiva en el ganglio de la raíz dorsal
Sustancia gris
Sustancia blanca
Músculo isquiocrural
Médula espinal) Neurona sensitiva Neurona motora Interneurona
ACTOS INVOLUNTARIOS
Son aquellos que realizamos sin intervención de la corteza cerebral, es decir, que son ajenos a nuestra consciencia, y, por tanto, a nuestra voluntad. Suelen estar controlados por centros de control secundarios, tales como la médula espinal y los ganglios. Dan lugar a lo que llamamos ACTOS REFLEJOS, producidos por muy pocas neuronas que funcionan formando un ARCO REFLEJO.
ACTO VOLUNTARIO
Son actos conscientes que dependen de nuestra voluntad. En ellos intervienen la médula espinal y el encéfalo. Se producen cuando un receptor recibe un impulso y envía la información a las vías sensitivas, que lo llevan a la médula espinal y de éstas al cerebro, donde se elabora una respuesta.
LE 48-22 División simpática
División parasimática Acción sobre los órganos diana
Acción sobre los órganos diana: Dilata la pupila Del ojo
Contrae la Localización de las Pupila del ojo Neuronas preganglionares: Tronco encefálico y Estimula la secreción de las segmentos Glándulas salivales Sacros de la médula espinal Neurotransmisor liberado por las neuronas preganglionares: acetilcolina
Localización de las posganglionares: en los ganglios próximos a los órganos diana o dentro de ellos
Contrae los bronquios En los pulmones
Localización de las neuronas Preganglionares: Inhibe la secreción de las Segmentos torácicos y Lumbares de la médula espinal Glándulas salivales
Cervicalesl
Disminuye e el ritmo cardiaco
Estimula la actividad En el estómago Y los intestinos
Torácicos
Neurotransmisor Liberado por las neuronas Acelera el ritmo cardíaco Preganglionares: acetilcolina Inhibe la actividad del Estómago y los intestinos
Estimula la liberación de glucosa del higado Inhibe la vesícula biliar
Localización de las Neuronas posganglionares: Algunas en los ganglios Próximos a los órganos Diana; otras en una cadena de ganglios cerca de la Médula espinal
Lumbares
Neurotransmisor Liberado por las neuronas Posganglionares: Promueve la evacuación acetilcolina De la vejiga Promueve la erección de los genitales
Relaja los bronquios En los pulmones
Inhibe la actividad del páncreas
Estimula la actividad Del páncreas Estimula la Vesícula biliar
Ganglios simpáticos
Estimula la médula suprarrenal Provocala evacuación De la vejiga
Synapse
Sacros Promueve la eyaculación y las Contracciones vaginales
Neurotransmisor liberado Por las neuronas Posganglionares. noradrenalina
LE 48-23 Estructuras encefálicas presentes en el adulto
Regiones encefálicas embrionarias
Cerebro (hemisferios cerebrales; se compone de corteza cerebral, sustancia blanca y núcleos basales
Telencefalo Cerebro anterior Diencefalo Cerebro medio
Diencéfalo (tálamo, hipotálamo, epitálamo)
Mesencéfalo
Mesencéfalo (parte del tronco encefálico)
Metencefalo
Protuberancia (parte del tronco encefálico) cerebelo
mielencéfalo
Bulbo raquídeo ( parte del tronco encefálico)
Cerebro posteriorn
Mesencephalon Metencephalon
Hemisferio cerebral
Thalamus
Midbrain Hindbrain
Diencephalon
Diencephalon: Hypothalamus
Myelencephalon
Pineal gland (part of epithalamus) Tronco encefálico
Forebrain
Embrión de un mes
Spinal cord Telencephalon
Embrión de cinco semanas
Mesencéfalo Protuberancia Gláncula hipófisis Médula espinal Cerebelom Epéndimo Adult
Bulbo raquídeo
Unnumbered Figure 48-1031
Unnumbered Figure 48-1029
Unnumbered Figure 48-1030a
Unnumbered Figure 48-1030b
LATERIZACÓN DE LA FUNCIÓN CORTICAL
HEMISFERIO DERECHO Reconocimiento de patrones, de rostros, las relaciones espaciales, el pensamiento no verbal, el procesamiento emocional, en general, y el procesamiento simultáneo de muchos tipos de información. El conocimiento y la generación de los patrones de estrés y de entonación del habla que transmiten su contenido emocional destacan la función del hemisferio derecho, como lo hace la música. El hemisferio derecho parece especializarse en percibir la relación entre las imágenes y el contexto total en el que se desarrollan, mientras que el izquierdo es mejor en la percepción enfocada. La mayoría delas personas diestras utilizan su mano izquierda para las actividades de contexto o de sostén y utilizan su mano derecha para el moviimiento detallado y fino.
HEMISFERIO IZQUIERDO El hemisferio izquierdo se hace más hábil para el lenguaje, las matemáticas, las operaciones lógicas y el procesamiento seriado de secuencias de información, tienen un procesamiento serial de las actividades detalladas y optimizadas por velocidad necesarias para el control del músculo esquelético y de los detalles auditivos y visuales finos.
LE 48-26
Left cerebral hemisphere
Right cerebral hemisphere
Corpus callosum
Neocortex
Basal nuclei
LE 48-27
Parietal lobe
Speech
ry c nso
ma tos e
Frontal association area
Speech
Taste
So
Mo to
rc o rt ex
ort
ex
Frontal lobe
Somatosensory association area Reading
Hearing Smell
Temporal lobe
Auditory association area
Visual association area Vision Occipital lobe
LE 48-28 Frontal lobe
Parietal lobe
Lips Jaw
Teeth Gums Jaw Tongue
Tongue
Pharynx Abdominal organs
Genitalia
Primary somatosensory cortex
Leg
Toes
Hip
Trunk
Neck
nd s er Ha b ng Fi um Th
b m
Face
Primary motor cortex
Head
rm er a Upp ow Elb m ar re Fo
Knee
Hip
Trunk er Should ow Elb m r rea Fo ist Wr nd Ha s er ng Fi
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