Neurona — Guía

Potencial de acción y modelo Hodgkin-Huxley
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¿Qué es el potencial de acción?

El potencial de acción es una señal eléctrica que viaja por la neurona. Ocurre cuando canales de sodio y potasio se abren en secuencia, despolarizando y repolarizando la membrana en ~1 milisegundo.

Umbral -55 mV Despolarización Repolarización Período refractario Todo o nada

Modelo Hodgkin-Huxley (1952): Premio Nobel por describir matemáticamente cómo los canales iónicos generan el potencial de acción usando ecuaciones diferenciales.

Canales de Sodio (Na⁺)

Se abren rápidamente cuando el voltaje supera el umbral (-55 mV).

  • Activación rápida (compuerta m³)
  • Inactivación lenta (compuerta h)
  • Responsable de la despolarización
  • E_Na ≈ +60 mV

Canales de Potasio (K⁺)

Se abren más lentamente y permanecen abiertos más tiempo.

  • Activación lenta (compuerta n⁴)
  • Sin inactivación
  • Responsable de la repolarización
  • E_K ≈ -90 mV

Fases del Potencial de Acción

  • Reposo: -70 mV, equilibrio entre fuga de K⁺ y Na⁺
  • Despolarización: Na⁺ entra masivamente, voltaje sube a +30 mV
  • Pico: Canales de Na⁺ se inactivan
  • Repolarización: K⁺ sale, voltaje baja
  • Hiperpolarización: Voltaje baja hasta -80 mV
  • Refractario: Imposible disparar otro spike

Experimentos guiados

Experimento 1

Encontrar el umbral exacto

Hipótesis

Existe un valor de corriente preciso por debajo del cual no hay potencial de acción, y por encima del cual siempre ocurre (principio del todo o nada).

  1. Comienza con una corriente I = 0 y aumenta gradualmente
  2. Observa el voltaje de membrana — busca el punto donde aparece el spike
  3. Reduce la corriente justo debajo del umbral y observa que no hay spike
  4. Nota que el spike siempre tiene la misma amplitud (~100 mV)
¿Por qué importa? El principio "todo o nada" significa que las neuronas codifican información en la frecuencia de disparos, no en la amplitud.
Experimento 2

Período refractario

Hipótesis

Después de un potencial de acción, hay un intervalo donde es imposible (o difícil) generar otro spike.

  1. Aplica un pulso de corriente para generar un spike
  2. Inmediatamente aplica otro pulso — observa que no hay respuesta
  3. Aumenta gradualmente el intervalo entre pulsos
  4. Identifica el período refractario absoluto (~1-2 ms) y relativo (~3-4 ms)
¿Por qué importa? El período refractario limita la frecuencia máxima de disparos (~500 Hz) y asegura que el spike viaje en una sola dirección.
Experimento 3

Efecto de las conductancias

Hipótesis

Modificar g_Na afecta la amplitud del spike, mientras que modificar g_K afecta la velocidad de repolarización.

  1. Reduce g_Na al 50% — observa cómo cambia la amplitud del spike
  2. Restaura g_Na y reduce g_K al 50%
  3. Observa que el spike dura más tiempo y la hiperpolarización disminuye
  4. Experimenta con valores extremos y observa si el spike desaparece
¿Por qué importa? Muchos fármacos actúan bloqueando canales iónicos específicos. Los anestésicos locales bloquean canales de Na⁺.

Conexiones interdisciplinarias

⚡
Circuitos RC
La membrana neuronal es un circuito RC: capacitor (bicapa lipídica) + resistencias (canales iónicos).
🧪
Potencial de Nernst
Cada ion tiene un potencial de equilibrio determinado por su gradiente de concentración.
📐
EDOs no lineales
Hodgkin-Huxley son 4 EDOs acopladas que requieren métodos numéricos como RK4.
💻
Perceptrón
El perceptrón es una neurona artificial simplificada: suma ponderada + umbral.

⚠️ Limitaciones de la simulación

  • Modelo de punto: No considera la propagación espacial del potencial a lo largo del axón
  • Temperatura fija: En realidad, las conductancias dependen de la temperatura (Q10 ≈ 3)
  • Sin sinapsis: No modela la transmisión sináptica ni neurotransmisores
  • Canales simplificados: Existen docenas de tipos de canales iónicos, no solo Na⁺ y K⁺

🔬 Preguntas de reflexión

  1. ¿Por qué crees que la naturaleza "eligió" señales eléctricas para la comunicación neuronal en lugar de señales químicas puras?
  2. Si bloquearas completamente los canales de K⁺, ¿podría la neurona volver al potencial de reposo?
  3. ¿Cómo afectaría a la señalización neuronal si el período refractario fuera 10 veces más largo?
  4. El modelo de Hodgkin-Huxley tiene 4 ecuaciones — ¿por qué el perceptrón solo necesita 1?