Echando la vista atrás, aún recuerdo una famosa serie de dibujos animados llamada “Érase una vez: la vida ” donde trataban de explicar de forma muy sencilla a los peques (y no tan peques) de la casa, cómo son los mecanismos que regulan el buen funcionamiento del organismo. Uno de esos capítulos hablaba sobre cómo el cerebro era capaz de mandar mensajes al resto del cuerpo a través de ciertos seres minúsculos que cargaban un mensaje o nota de papel y corrían a gran velocidad. Más tarde entendería que esos “diminutos seres” no eran más que la representación de la comunicación o transmisión nerviosa.
Sabemos que la neurona es la célula o unidad básica de esta comunicación, pero cuesta aún más entender cual es el papel de esta conversación entre el cerebro y el cuerpo humano ¿Qué pensáis si os digo que la clave de toda esta comunicación entre neuronas es pura electricidad? Probablemente, lo primero que se os venga a la cabeza es la imagen de Frankenstein dando vida a su “monstruo” a través de la potencia eléctrica de la descarga de rayos de una tormenta. Pues bien, Mary Shelley no iba muy desencaminada.
Las células que llamamos excitables (como las neuronas o las células cromafines de la glándula suprarrenal, entre otras) se denominan así porque se pueden estimular eléctricamente. Nombres como Galvani o Volta aparecen como los primeros científicos que en el siglo XVIII hablan sobre “electricidad animal” tras un experimento donde era posible contraer los músculos de las ancas de rana al aplicarles un estímulo eléctrico a sus nervios. Fue más tarde, en el siglo XIX, cuando el científico alemán du Bois-Reymond tomó estas teorías y demostró la “naturaleza eléctrica de la señalización nerviosa” derivando todo ello al desarrollo de la Electrofisiología, la ciencia que estudia la naturaleza eléctrica de las células excitables. Estudios como los de Julius Bernstein ayudaron a medir por primera vez esos cambios eléctricos momentáneos en las superficies de las células que dan lugar a esta comunicación: lo que hoy en neurociencia se conoce como potencial de acción. En 1930, Curtis y Cole fueron capaces de medir por completo potenciales de acción en el axón del calamar gigante (por su fácil acceso) insertando electrodos en dos puntos de un axón (una de las partes de la neurona), y midiendo los intercambios eléctricos o diferencias de potencial.
Estas células excitables funcionan como un condensador eléctrico, ya que separan cargas a uno y otro lado de la membrana celular, generando una diferencia de potencial eléctrico. Sin embargo, estas membranas no son condensadores “puros”, ya que en ellas existen «huecos», llamados canales iónicos, que ayudan al intercambio de sustancias entre el exterior y el interior celular. Un ejemplo de estas sustancias son el sodio, el potasio, el calcio y otro tipo de iones de distinta carga eléctrica. La existencia de canales iónicos fue confirmada en 1970 gracias a los doctores Neher y Sackman, quienes crearon el patch clamp, una de las técnicas de Electrofisiología más usada hoy en día. Ambos científicos recibieron por ello el Premio Nobel de Fisiología y Medicina en 1991.
El patch clamp se basa en el uso de un microelectrodo de vidrio conectado a la membrana de la célula a estudiar. Dicha conexión se denomina parche de membrana, sello o Gigasello. Recibe este nombre ya que se alcanza una unión entre el microelectrodo y la membrana celular que ofrece una resistencia eléctrica del orden mil millones de ohmios (unidad de medida de dicha resistencia). Esta unión «tan intensa» consigue disminuir la interferencia de cualquier señal eléctrica externa, generando mayor estabilidad para el estudio de diversos factores como el movimiento de iones a través de los canales ya mencionados.
Existen numerosas configuraciones con las que aplicar la técnica de patch clamp. Como ejemplo podemos mencionar el whole cell o el parche perforado, con las cuales se pueden detectar cambios eléctricos ocurridos en cualquier parte de la célula. También se pueden detectar cambios ocurridos solamente en un área pequeña de la membrana celular y en ese caso se habla de la configuración cell attached. Éstas y muchas otras configuraciones del patch clamp permiten, entre otras opciones, medir unidades muy pequeñas de cambio eléctrico. Ejemplo de ello son los cambios con valor de una billonésima parte de un Amperio, si hablamos de corriente eléctrica.
Con la electrofisiología y el patch-clamp no sólo podemos entender el mecanismo de funcionamiento de canales iónicos, sino que también podemos identificar diferencias en su funcionamiento si trabajamos con modelos que poseen cambios en su estructura o mutaciones como, por ejemplo, los relacionados con una enfermedad. A lo largo de mi carrera, he trabajado en diferentes proyectos de investigación relacionados con el estudio de la neurosecreción (o secreción neuronal) y enfermedades neurodegenerativas aplicando la electrofisiología. Gracias a la aplicación de esta técnica hemos sido capaces de entender las
diferencias que existen en el funcionamiento de canales iónicos en células excitables que contienen mutaciones relacionadas con enfermedades como el Alzheimer o la Esclerosis Lateral Amiotrófica (ELA). A su vez, hemos podido comprobar la madurez en el funcionamiento de neuronas derivadas de células madre. Todo ello permite comprobar que realmente sus características electrofisiológicas, cumplen con el estándar de la neuronas primarias a las que se correspondan en cada caso. Esto ayuda a garantizar la fiabilidad en el uso de modelos celulares para el estudio de ciertas enfermedades.
La electrofisiología es clave en el entendimiento científico de las enfermedades, la caracterización de modelos celulares con los que poder trabajar y en la comprensión de los mecanismos intrínsecos a la fisiología de las células excitables. Gracias al desarrollo de estas técnicas, que pueden parecer básicas, cada vez somos más capaces de entender las reglas de funcionamiento que conducen a esos “diminutos seres” a llevar los mensajes rápidamente entre el cerebro y el resto del cuerpo humano, siendo también capaces de entender mejor los mecanismos relacionados con diferentes enfermedades, el primer paso para poder combatirlas.
Por la Dra. Margarita Segovia Roldán. Investigadora postdoctoral en la Universidad de Sheffield. Delegación CERU Yorkshire.
Más información:
http://www.pnas.org/content/107/44/19032
Electronics for electrophysiologists
Electronics for electrophysiologists II
