Un tren o cadena de potenciales de acción (spike train en inglés) es una secuencia de registros temporales en los que una neurona dispara señales eléctricas o impulsos nerviosos. Esta particular forma de comunicación entre neuronas es objeto de interés y estudio por parte de la comunidad neurocientífica, aunque todavía quedan muchas respuestas por responder.
En este artículo veremos qué son estos trenes de potenciales de acción, cuál es su duración y estructura, en qué consiste el concepto de codificación neuronal y en qué estado se encuentran actualmente las investigaciones en esta materia.
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¿Qué es un tren de potenciales de acción?
Para comprender qué son los trenes de potenciales de acción, veamos primero en qué consiste un potencial de acción.
Nuestros cerebros contienen alrededor de cien mil millones de neuronas que disparan señales para comunicarse entre sí constantemente. Estas señales son de naturaleza electroquímica y viajan desde el cuerpo celular de una neurona, a través de su axón o neurita, a la siguiente neurona.
Cada una de estas señales o impulsos eléctricos se conoce con el nombre de potencial de acción. Los potenciales de acción se producen en respuesta a estímulos o de forma espontánea, y cada disparo suele durar 1 milisegundo.
Un tren de potenciales de acción es, simplemente, una secuencia combinada de disparos y no disparos. Para que se entienda mejor: imaginemos una secuencia digital de ceros y unos, como en un sistema binario; asignaríamos un 1 para el disparo y un 0 para el no disparo. En ese caso, un tren de potenciales de acción podría codificarse como una secuencia numérica, tal que así: 00111100. Los dos primeros ceros representarían el tiempo de latencia entre la presentación del estímulo y el primer disparo o potencial de acción.
Los trenes de potenciales de acción pueden generarse a través de estímulos sensoriales directos que provienen de la visión, el tacto, el sonido o el olfato; y también pueden inducirse mediante estímulos abstractos desencadenados por el uso de procesos cognitivos como la memoria (por evocación de recuerdos, por ejemplo).
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Duración y estructura
La duración y la estructura de un tren de potenciales de acción generalmente dependen de la intensidad y la duración del estímulo. Este tipo de potenciales de acción suelen durar y mantenerse “activos” mientras el estímulo está presente.
Con todo, algunas neuronas poseen propiedades eléctricas especiales que hacen que se produzca en ellas una respuesta sostenida a un estímulo muy breve. En este tipo de neuronas, los estímulos de mayor intensidad suelen provocar trenes de potenciales de acción más prolongados.
Cuando los potenciales de acción se registran repetidamente desde una neurona en respuesta a estímulos cambiantes (o cuando un organismo genera distintos comportamientos), suelen mantener una forma relativamente estable. Sin embargo, el patrón de disparos de cada tren de potenciales de acción varía según va cambiando el estímulo; generalmente, la velocidad a la que se producen los disparos (la tasa de disparo) cambia en función de las distintas condiciones.
Codificación neuronal
Los trenes de potenciales de acción han sido y siguen siendo objeto de interés para la comunidad neurocientífica, dadas sus particularidades. Muchos investigadores tratan de averiguar en sus estudios qué tipo de información llevan codificada estos potenciales de acción y de qué manera las neuronas son capaces de descodificarla.
La codificación neuronal es un campo de las neurociencias que estudia cómo se representa en nuestro cerebro la información sensorial por medio de redes neuronales. Los investigadores se suelen encontrar con grandes dificultades a la hora de intentar descifrar los trenes de potenciales de acción.
Es difícil pensar en un tren de potenciales de acción como si fuera un dispositivo de salida puramente binario. Las neuronas poseen un umbral mínimo de activación y se disparan solamente si la intensidad del estímulo está por encima de ese umbral. Si se presenta un estímulo constante, se generará un tren de potenciales de acción. Sin embargo, el umbral de activación aumentará con el tiempo.
Esto último, que es lo que se denomina como adaptación sensorial, es el resultado de procesos como la desensibilización sináptica, una disminución en la respuesta al estímulo constante producida en la sinapsis (la conexión química entre dos neuronas).
Este resultado llevará a una reducción de los disparos asociados al estímulo, que eventualmente disminuirán hasta llegar a cero. Dicho proceso ayuda al cerebro a no sobrecargarse con información del entorno que se mantiene invariable. Por ejemplo, cuando pasado un rato dejamos de oler el perfume que nos hemos aplicado o cuando nos adaptamos a un ruido de fondo que al principio nos perturba.
Investigaciones recientes
Como ya sabemos, las neuronas se comunican a través de la generación de potenciales de acción, que se pueden propagar de una neurona (emisora o presináptica) a otra (receptora o postsináptica) a través de la sinapsis. Así, cuando la neurona presináptica genera el potencial de acción, la neurona postsináptica es capaz de recibirlo y generar una respuesta que, eventualmente, puede llegar a producir un nuevo potencial de acción, en este caso postsináptico.
Diferentes secuencias o trenes de potenciales de acción presinápticos producen, generalmente, distintas cadenas de potenciales de acción postsinápticas. Es por ello que la comunidad neurocientífica cree que existe un “código neuronal” asociado a la temporalidad de los potenciales de acción; esto es, que una misma neurona podría estar empleando varias secuencias de potenciales de acción distintas para codificar, por su parte, distintos tipos de información.
Por otro lado, la actividad eléctrica de una neurona suele ser ciertamente variable, y rara vez está determinada en su totalidad por el estímulo. Ante sucesivas repeticiones de un mismo estímulo, la neurona responderá cada vez con una cadena de potenciales de acción diferente. Hasta el momento, los investigadores no han podido caracterizar la respuesta de las neuronas a los estímulos ni se ha podido determinar con claridad cómo se codifica la información.
Lo que hasta el momento se había pensado es que toda la información almacenada en un tren de potenciales de acción estaba codificada en su frecuencia; es decir, en el número de potenciales de acción que se produce por unidad de tiempo. Pero en los últimos años, se está investigando la posibilidad de que los instantes precisos en los que se produce cada potencial de acción puedan contener información crítica e incluso una “firma neuronal”; esto es, una especie de patrón temporal que permitiría identificar a la neurona emisora.
Las investigaciones más recientes apuntan al diseño de un nuevo método que permitiría caracterizar una cadena de potenciales de acción en base a los tiempos de cada uno de los potenciales de acción de la misma. Con la aplicación de este procedimiento, se podría conseguir alinear las distintas secuencias y determinar qué potenciales de acción son equivalentes en cada una de las cadenas. Y con esa información, se podría calcular la distribución estadística que sigue cada potencial de acción en un hipotético “tren ideal”.
Ese tren de potenciales de acción ideal representaría el patrón común, del que cada uno de los trenes reales es solamente una realización concreta. Una vez caracterizado, sería posible saber si una nueva cadena de potenciales de acción podría ajustarse a la distribución o no, y por lo tanto, saber si está codificando la misma información. Este concepto del tren ideal podría tener implicaciones interesantes de cara al estudio y la interpretación del código neuronal, así como para reforzar la teoría de las firmas neuronales.
Referencias bibliográficas:
- Strong, S.P., Koberle, R., de Ruyter van Steveninck. R.R., Bialek, W. (1998). Entropy and information in neural spike trains. Phys Rev Lett; 80: pp. 197 - 200.
