Simulación por Computadora de las Propiedades Pasivas y no Lineales de las Células Excitables

Dpto. de Ingeniería Eléctrica Ingeniería Biomédica[pic 1]

Medición de Fenómenos Bioeléctricos

[pic 2]

Clares Fuentes Gamaliel

Rodríguez Hernández Josué Agustín

Práctica 1. Simulación por Computadora de las Propiedades Pasivas y no Lineales de las Células Excitables.

Trimestre 20-I 15 de abril de 2021

INTRODUCCIÓN

El registro de la respuesta de las células excitables ante un estímulo puede realizarse intra o extracelularmente, y en una única célula o en un conjunto de ellas. El registro intracelular de una única célula es al que se le denomina Potencial de Acción. El registro extracelular de la actividad eléctrica de una determinada célula excitable difiere del potencial de acción intracelular y podrá tener diversas características morfológicas dependiendo del montaje experimental. Un nervio está conformado por un paquete de fibras nerviosas (axones). Al registro extracelular de un conjunto de células excitables se le denomina potencial de acción compuesto y suele realizarse experimentalmente, por ejemplo, en el nervio ciático de rana. La respuesta del nervio a un estímulo varía dependiendo de las características del estímulo y del montaje experimental y el trazo observado en el registro difiere en morfología al del potencial de acción intracelular,así como al del potencial extracelular de célula única.

NOTA: El sistema para la adquisición y registro de las señales antes mencionadas está conformado básicamente por los mismos componentes: estimulador, electrodos, amplificador y sistema de adquisición y despliegue, sin embargo, debe ser claro que el registro unicelular implicará el uso de otros dispositivos y características técnicas especiales, por tratarse de un estudio microscópico.

La membrana celular es una capa bilipídica semipermeable que presenta canales iónicos, divide el medio intracelular del extracelular, cuyas funciones son las de protección, permite además separar el líquido extracelular del intracelular, regula el transporte o intercambio del material, se conforma como una membrana bilipídica con canales iónicos. El interés del desarrollo de esta práctica estriba en estudiar los cambios de potenciales entre el interior y el exterior de la célula,

dados por lo canales activos y pasivos y activados por voltaje. Los actuadores que participan en la generación de los potenciales de reposo y de acción son los iones de Na+ y K+.

El voltaje se define como la diferencia de potencial entre dos puntos, el objeto de estudio entonces será la diferencia entre el interior y exterior de la célula dada por la diferencia de concentración de iones y por la permeabilidad al K+.

Las células excitables o cilíndricas se describen así porque sus dendritas o axones son cilindros, cada segmento tendrá bicapa, canales activados por voltaje de Na=GNa, de K=GK solo en los axones y canales de fuga=GL, leack. Estas células se modelan como resistencias variables (potenciómetros), al ser canales activos que pueden estar abiertos o cerrados. Ri significa la Resistencia del diámetro

La Conductancia (G), es el inverso de la resistencia, que ayuda a representar la permeabilidad. A mayor permeabilidad menor resistencia, mayor conductancia. En un axón mielinizado, para transportar potencial desde un punto a otro importa la velocidad de conducción, la constante es entonces ri*cm

El potencial de acción se describe en cada segmento como:[pic 3]

1. potencial de equilibrio del Na+ → 60mV
2. reposo → -70 mV
3. potencial de equilibrio del K+ → -90 mV (típicamente)
4. despolarización de -55 a 30 mV
5. repolarización de 30 a -70 mV
6. hiperpolarización cercano a -90 mV

OBJETIVOS

El alumno comprenderá la utilidad de los modelos matemáticos para predecir el comportamiento de las propiedades pasivas y no lineales de la célula, experimentando con un programa de simulación por computadora.

OBJETIVOS PARTICULARES

• Comprender y analizar las propiedades eléctricas pasivas y no lineales de la membrana celular. Experimentar las técnicas de Fijación del Voltaje y Fijación de Corriente.
• Comprender y analizar las bases iónicas del potencial de reposo.
• Comprender y analizar la dependencia del potencial de reposo con las concentraciones de los principales iones (Na+ y K+) intracelular y extracelular.
• Comprender y analizar la relación entre la resistencia y capacitancia de la membrana con el potencial de membrana.
• Comprender y analizar la relación entre la resistencia intracelular con la propagación del potencial de acción a través de una célula con morfología cilíndrica.
• Analizar la respuesta de la membrana celular a distintas intensidades del estímulo externo.
• Comprender y analizar la apertura y cierre de los canales iónicos dependientes del potencial de membrana.
• Comprender y analizar el comportamiento temporal (cinética) de las corrientes iónicas.
• Comprender y analizar el efecto de la relación de las conductancias al Na+, K+ y Ca++ en la generación de un potencial de acción en diferentes tipos celulares.
• Comprender y analizar el comportamiento de las conductancias de los canales iónicos de la membrana celular ante estímulos externos, inyección de fármacos y/o patologías en diferentes tipos celulares.

DESARROLLO

EXPERIMENTO 1: Propiedades pasivas o lineales de las células excitables.

Debe modificarse la resistencia de la membrana atendiendo a la ecuación: 𝑣 = 𝐼 * 𝑅[pic 4]

Donde Vm corresponde al voltaje en la membrana, Ir es la corriente es la corriente resistiva por los canales pasivos que permanece fija y Rm es la resistencia de la membrana que cambiará con el objeto de observar en la gráfica si el voltaje de membrana permanece o experimenta cambios.

[pic 5]

Figura 1. Variando la resistencia a 10 MΩ.

[pic 6]

Figura 1.1. Variando la resistencia a 100 MΩ.

La resistencia eléctrica de un conductor cilíndrico es proporcional a su longitud e inversamente proporcional al área de su sección transversal. La constante de proporcionalidad es la resistividad, parámetro que depende del tipo de material que conforma al conductor y la temperatura. Por lo tanto la corriente resistiva aumenta a medida que aumenta esta diferencia. Al mismo tiempo en que la corriente resistiva aumenta la corriente capacitiva disminuye. Esto se refleja en el enlentecimiento en la fase de ascenso del cambio en el potencial de membrana en función del tiempo visto entre la figura 1 y 1.1.

...