squidA Juan Ignacio Pérez, cuyo interesante artículo en Naukas (http://zoologik.naukas.com/2015/11/19/neuronas-gigantes/) me “picó” a escribir este.

La transmisión nerviosa permite entender cómo la información de los órganos sensoriales (ojo, nariz, oído, gusto, piel, etc.) llega al cerebro y cómo las órdenes del cerebro llegan a los músculos y las glándulas, en ambos casos a través de los nervios. Cada nervio está formado por miles de axones y la velocidad de la transmisión nerviosa en cada uno de ellos depende de su diámetro, a mayor grosor  mayor velocidad, y de la presencia de mielina o no, con mielina la conducción es más rápida. La mielina es una sustancia grasa, actúa como el recubrimiento de plástico de un cable en segmentos sucesivos y permite la conducción saltatoria, la electricidad se mueve a lo largo del axón a saltos, de espacio entre segmentos a espacio entre segmentos, con lo que la propagación de la señal es muy veloz.

En el sistema nervioso central de los vertebrados la mielina es común pero algunos invertebrados no tienen mielina y utilizan axones enormes, los llamados axones gigantes. squid-giant-axonEl más conocido es el del calamar. Cuando el animal quiere evitar ser pescado y cocinado a la romana hace una contracción súbita de su cuerpo, el agua que tiene en su interior sale a gran velocidad por el sifón, una abertura en forma de tubo, con lo que el cefalópodo hace un movimiento «a reacción», escapando de una forma brusca y rápida. Para que el sistema funcione dos neuronas inervan una gran cantidad de músculos por todo el cuerpo logrando que todo el manto muscular se contraiga de manera simultánea y  la eficacia sea máxima.

axon.largeEl gran tamaño del axón gigante, entre 0,5 y 1 mm de diámetro (mil veces mayor que los axones de los mamíferos), permitió a Alan Hodgkin y Andrew Huxley estudiar el comportamiento de las neuronas. Los electrodos eran finos alambres de plata enrollados en torno a una barra aislante central con lo que solo podían entrar en una estructura tan grande como el axón gigante. Un electrodo se colocaba dentro del axón y el otro fuera y los dos estaban conectados a un amplificador con lo que podían medir los intercambios eléctricos en segmentos muy pequeños de la membrana del axón del calamar. También podían variar las concentraciones de iones fuera del axón, sustituir uno de ellos por otro más grande que no atravesase la membrana (colina H+) y desarrollaron un aparato llamado la pinza de voltaje («voltage clamp»). La pinza de voltaje introduce en el axón una corriente que es igual y opuesta la que fluye a través de los canales de membrana sensibles al voltaje. De esta manera, la pinza de voltaje impide que cambie la separación de cargas a través de la membrana. Voltage_clampLa cantidad de corriente que debe ser generada por la pinza del voltaje para mantener constante el potencial de membrana constituye una medida directa de las cargas que fluyen a través de la membrana. Con este descubrimiento pudieron entender la propagación de señales a lo largo del axón de las neuronas.

Todas las células tienen una diferencia de voltaje entre su interior y su exterior, que es lo que se denomina potencial de membrana. En una célula animal típica es de–70 mV, que quiere decir que el interior es negativo frente al exterior (hay menos iones positivos dentro) con una diferencia de potencial en torno a un quinceavo de voltio. En la mayoría de las células esa diferencia es constante, pero algunas, en particular las neuronas y las células musculares, son excitables; es decir, pueden sufrir cambios bruscos en ese potencial que se transmite, por la membrana, formando lo que se llama un potencial de acción.

by Ramsey & Muspratt, bromide print, 1936

by Ramsey & Muspratt, bromide print, 1936

Alan Lloyd Hodgkin nació cerca de Oxford pero se educó en Cambridge. Era nieto y sobrino de famosos historiadores y dudó si dedicarse a la historia o a la ciencia pero le gustaba mucho la historia natural y al final se matriculó en biología y en química. De estudiante inició algunos experimentos en los nervios de la rana y uno de sus profesores, el zoólogo Carl Pantin, le dijo que aprendiera tanta física y matemáticas como pudiera. Se convirtió en un fellow del Trinity College, uno de los principales colegios mayores de Cambridge donde le tocaba compartir mesa con algunos de los grandes del siglo XX como J. J. Thomson, Rutherford, Aston, Eddington, Hopkins, G. H. Hardy y Adrian. En el laboratorio de Fisiología aprendió teoría de cables y a utilizar aparatos eléctricos como amplificadores, algo que sería clave en su investigación. Su tesis cayó en manos de Herbert Spencer Gasser, premio Nobel en 1944, que le invitó a realizar una estancia en su laboratorio en el Instituto Rockefeller de Nueva York. Durante esos dos años pasó varias semanas en el famoso laboratorio de biología marina de Woods Hole y allí le enseñaron a extraer el axón gigante del calamar.

Andrew Huxley, por su parte, era nieto de Thomas Huxley, el llamado bulldog de Darwin y hermanastro del etólogo Julian Huxley y del novelista Aldous Huxley. De niño le encantaba la mecánica y cuando tenía catorce años sus padres le regalaron un torno que usó entonces para hacer portavelas de madera y que años más tarde emplearía para construir aparatos para sus experimentos. Se formó en la Universidad de Cambridge y en principio iba para ingeniero pero luego eligió una asignatura optativa de Fisiología y le encantó y decidió dedicarse a ella, pues para él era «la ingeniería mecánica de las cosas vivas».huxley_lab_photo

La idea original de Hodgkin era medir las corrientes eléctricas en neuronas pero una célula individual era demasiado pequeña para las técnicas de electrofisiología disponibles en esa época. Después probó en nervio ciático de la rana, pero la presencia simultánea de los miles de axones que forman el nervio hacía que los movimientos de cargas fueran muy difíciles de discriminar. La solución fue el axón gigante del calamar.

En el verano de 1939 Hodgkin invitó a Huxley a trabajar con él en el Laboratorio de Biología Marina de Plymouth donde empezaron su trabajo con el calamar. Sin embargo, la invasión de Polonia por la Alemania nazi ese septiembre acabó con sus planes pues los dos tuvieron que dejar la investigación para encargarse de colaborar en la derrota de Hitler. Huxley trabajó durante la guerra en artillería antiaérea y Hodgkin en el desarrollo del radar y de visores nocturnos para los aviadores. El trabajo durante la guerra mejoró considerablemente las excelentes dotes matemáticas de Huxley, lo que fue la base para su éxito posterior al plantear las ecuaciones que explicaban la conductividad eléctrica de los nervios. Tras la guerra, los dos científicos se volvieron a juntar en 1946 y retornaron a sus calamares y a sus clases en Cambridge. Recibieron el apoyo de lord Adrian que consiguió que les rebajaran la docencia para que tuvieran más tiempo para investigar y les consiguió financiación de la Fundación Rockefeller para su laboratorio. Fueron publicando distintos artículos que culminaron en cinco artículos publicados en 1952 donde establecieron el modelo sobre los mecanismos iónicos que subyacían a la iniciación y propagación de los potenciales de acción. Eso les valió el premio Nobel en 1963.

5448718059_778c92dd13Los dos británicos pudieron demostrar que el impulso nervioso viajaba desde el cuerpo de la neurona hasta el extremo del axón, lo que permitía que el cerebro coordinase todas las actividades del organismo. Basándose en sus medidas propusieron que unos átomos con carga eléctrica, los iones, se movían a través de compuertas en las membrana de la neurona de dentro hacia fuera y de fuera hacia adentro. Esas compuertas se llamaron canales iónicos y su existencia solo se pudo confirmar dos décadas después, cuando los fisiólogos alemanes Erwin Neher y Bert Sakmann registraron las primeras corrientes eléctricas que pasaban a través de un canal, demostrando así su existencia, un descubrimiento por el que ganaron el premio Nobel en 1991.

La célula tiene mucho potasio y poco sodio en su interior, mientras que por fuera de su membrana hay lo contrario, mucho sodio y poco potasio. 300px-Action_potential.svgHodgkin y Huxley propusieron que el potencial de acción era un proceso secuencial en el cual se abrían compuertas en la membrana del axón por la que iban entrando y saliendo iones a favor de gradiente. Primero entraban iones sodio (Na+). El resultado es que el interior de la célula se volvía positivo y la membrana se despolarizaba (pasaba a un potencial de +40 mV), a continuación se cerraba la compuerta para el sodio y se abría la del potasio (K+), los iones potasio salían y el interior de la membrana volvía a ser negativo (repolarización). La repolarización iba más allá y se alcanzaba un potencial de -90 mV, lo que establecía un tiempo no excitable o período refractario y, finalmente, se restablecía el potencial de reposo de -70 mV. Además, esos cambios de voltaje afectaban a los canales contiguos, que hacían el mismo proceso de despolarización y repolarización, y estos a su vez a los siguientes, con lo que el potencial se iba extendiendo como una ola formando lo que se llama el potencial de acción. Axjk4Al mismo tiempo, las bombas de sodio y potasio volvían a meter potasio en el interior y a sacar el sodio fuera para que las concentraciones iniciales se recuperaran.

En aquella época no había ningún aparato capaz de detectar los canales iónicos así que desarrollaron una serie de ecuaciones teóricas para comprobar después si las leyes de las física permitían predecir los cambios de voltaje que registraban en sus experimentos. Huxley era un genio de las matemáticas y sus resultados teóricos encajaban con las medidas que Hodgkin obtenía en el calamar, algo que sugería que estaban en lo cierto.

El trabajo de Huxley y Hodgkin permitió explicar cómo funciona la anestesia, algo que era un auténtico enigma en la Neurociencia de su época: algunos anestésicos bloquean los movimientos de los iones con lo que la información dolorosa no llega hasta las zonas superiores del cerebro, no nos enteramos del dolor. La conducción por los nervios de electricidad fue también la base para las prótesis biónicas, aparatos que se mueven con impulsos eléctricos y permiten una cierta recuperación de la funcionalidad de una extremidad perdida. También posibilitó la identificación de algunas enfermedades genéticas llamadas canalopatías, que surgen por culpa de un defecto en los canales iónicos. Eric R. Kandel, premio Nobel en 2000, dijo que el trabajo de Hodgkin y Huxley«hizo por la biología celular de las neuronas lo que la estructura del ADN hizo por el resto de la biología».

Para leer más:

  • Gellene D (2012) Andrew Huxley, Nobel-Winning Physiologist, Dies at 94. The New York Times 4 de junio. http://www.nytimes.com/2012/06/05/us/andrew-huxley-nobel-winning-physiologist-dies-at-94.html?_r=0
  • Huxley AF (1996) Andrew F. Huxley. En Squire, Larry R. The History of Neuroscience in Autobiography. Washington DC: Society for Neuroscience. pp. 283–318.
  • Huxley AF (2002) From overshoot to voltage clamp. Trends Neurosci 25 (11): 553–558.
  • Kandel ER, Schwartz JH, Jessell TM (2001) Principios de Neurociencia. 4ª ed. McGraw-Hill Interamericana, Madrid. pp. 150-153.