Soma (neurofisiologia) - Summation (neurophysiology)
Soma , que inclui soma espacial e soma temporal , é o processo que determina se um potencial de ação será ou não gerado pelos efeitos combinados de sinais excitatórios e inibitórios , tanto de múltiplas entradas simultâneas (soma espacial), quanto de entradas repetidas ( soma temporal). Dependendo da soma total de muitas entradas individuais, a soma pode ou não atingir a tensão limite para acionar um potencial de ação.
Os neurotransmissores liberados dos terminais de um neurônio pré - sináptico se enquadram em uma de duas categorias , dependendo dos canais iônicos controlados ou modulados pelo receptor do neurotransmissor . Os neurotransmissores excitatórios produzem despolarização da célula pós-sináptica, enquanto a hiperpolarização produzida por um neurotransmissor inibitório mitigará os efeitos de um neurotransmissor excitatório. Essa despolarização é chamada de EPSP, ou potencial pós-sináptico excitatório , e a hiperpolarização é chamada de IPSP, ou potencial pós-sináptico inibitório .
As únicas influências que os neurônios podem ter uns sobre os outros são a excitação, a inibição e - por meio de transmissores modulatórios - a polarização da excitabilidade um do outro. A partir de um conjunto tão pequeno de interações básicas, uma cadeia de neurônios pode produzir apenas uma resposta limitada. Um caminho pode ser facilitado por estímulos excitatórios; a remoção de tal entrada constitui desfacilitação . Uma via também pode ser inibida; a remoção da entrada inibitória constitui desinibição , a qual, se outras fontes de excitação estiverem presentes na entrada inibitória, pode aumentar a excitação.
Quando um determinado neurônio-alvo recebe entradas de fontes múltiplas, essas entradas podem ser somadas espacialmente se as entradas chegarem perto o suficiente a tempo de que a influência das primeiras entradas ainda não tenha diminuído. Se um neurônio alvo recebe entrada de um único terminal de axônio e essa entrada ocorre repetidamente em intervalos curtos, as entradas podem somar temporariamente.
História
O sistema nervoso começou a ser incluído no escopo dos estudos fisiológicos gerais no final do século 19, quando Charles Sherrington começou a testar as propriedades elétricas dos neurônios. Suas principais contribuições para a neurofisiologia envolveram o estudo do reflexo automático e as inferências que ele fez entre as duas forças recíprocas de excitação e inibição. Ele postulou que o local onde essa resposta modulatória ocorre é o espaço intercelular de uma via unidirecional de circuitos neurais. Ele primeiro introduziu o possível papel da evolução e da inibição neural com sua sugestão de que “centros superiores do cérebro inibem as funções excitatórias dos centros inferiores”.
Muito do conhecimento atual sobre a transmissão sináptica química foi obtido a partir de experimentos que analisaram os efeitos da liberação de acetilcolina nas junções neuromusculares , também chamadas de placas terminais . Os pioneiros nessa área incluem Bernard Katz e Alan Hodgkin, que usaram o axônio gigante da lula como modelo experimental para o estudo do sistema nervoso. O tamanho relativamente grande dos neurônios permitiu o uso de eletrodos de ponta fina para monitorar as mudanças eletrofisiológicas que flutuam através da membrana. Em 1941, a implementação de microeletrodos por Katz no nervo ciático gastrocnêmio das pernas de rãs iluminou o campo. Logo se generalizou que apenas o potencial de placa terminal (PPE) é o que dispara o potencial de ação muscular, que se manifesta por meio das contrações das pernas do sapo.
Uma das descobertas seminais de Katz, em estudos realizados com Paul Fatt em 1951, foi que mudanças espontâneas no potencial da membrana das células musculares ocorrem mesmo sem a estimulação do neurônio motor pré-sináptico. Esses picos de potencial são semelhantes aos potenciais de ação, exceto pelo fato de serem muito menores, normalmente menos de 1 mV; eles foram, portanto, chamados de potenciais de placa terminal em miniatura (MEPPs). Em 1954, a introdução das primeiras imagens de microscopia eletrônica de terminais pós-sinápticos revelou que esses MEPPs foram criados por vesículas sinápticas carregando neurotransmissores. A natureza esporádica da liberação de quantidades quânticas de neurotransmissor levou à "hipótese vesicular" de Katz e del Castillo, que atribui a quantização da liberação do transmissor à sua associação com vesículas sinápticas. Isso também indicou a Katz que a geração de potencial de ação pode ser desencadeada pela soma dessas unidades individuais, cada uma equivalente a um MEPP.
Tipos
A qualquer momento, um neurônio pode receber potenciais pós-sinápticos de milhares de outros neurônios. Se o limiar é atingido e um potencial de ação gerado depende da soma espacial (ou seja, de vários neurônios) e temporal (de um único neurônio) de todas as entradas naquele momento. Tradicionalmente, acredita-se que quanto mais próxima uma sinapse do corpo celular do neurônio, maior será sua influência na soma final. Isso ocorre porque os potenciais pós-sinápticos viajam através dos dendritos que contêm uma baixa concentração de canais iônicos dependentes de voltagem . Portanto, o potencial pós-sináptico se atenua no momento em que atinge o corpo celular do neurônio. O corpo celular do neurônio atua como um computador integrando (adicionando ou somando) os potenciais de entrada. O potencial líquido é então transmitido para o outeirinho do axônio , onde o potencial de ação é iniciado. Outro fator que deve ser considerado é a soma das entradas sinápticas excitatórias e inibitórias. A soma espacial de uma entrada inibitória anulará uma entrada excitatória. Este efeito amplamente observado é denominado 'desvio' inibitório de EPSPs.
Somatório espacial
A soma espacial é um mecanismo de desencadear um potencial de ação em um neurônio com entrada de várias células pré-sinápticas. É a soma algébrica de potenciais de diferentes áreas de entrada, geralmente nos dendritos . A soma dos potenciais pós-sinápticos excitatórios aumenta a probabilidade de que o potencial alcance o potencial limiar e gere um potencial de ação, enquanto a soma dos potenciais pós-sinápticos inibitórios pode impedir a célula de atingir um potencial de ação. Quanto mais próxima a entrada dendrítica estiver do outeirinho do axônio, mais o potencial influenciará a probabilidade de disparo de um potencial de ação na célula pós-sináptica.
Somatório temporal
A soma temporal ocorre quando uma alta frequência de potenciais de ação no neurônio pré-sináptico elicia potenciais pós-sinápticos que se somam. A duração de um potencial pós-sináptico é maior do que o intervalo entre os potenciais de ação entrantes. Se a constante de tempo da membrana celular for suficientemente longa, como é o caso do corpo celular, a quantidade de somatória é aumentada. A amplitude de um potencial pós-sináptico no ponto de tempo em que o próximo começa somará algebricamente com ele, gerando um potencial maior do que os potenciais individuais. Isso permite que o potencial de membrana alcance o limite para gerar um potencial de ação.
Mecanismo
Os neurotransmissores se ligam a receptores que abrem ou fecham canais iônicos na célula pós-sináptica criando potenciais pós-sinápticos (PSPs). Esses potenciais alteram as chances de um potencial de ação ocorrer em um neurônio pós-sináptico. Os PSPs são considerados excitatórios se aumentam a probabilidade de ocorrer um potencial de ação e inibitórios se diminuem as chances.
Glutamato como exemplo excitatório
O neurotransmissor glutamato, por exemplo, é predominantemente conhecido por desencadear potenciais pós-sinápticos excitatórios (EPSPs) em vertebrados. A manipulação experimental pode causar a liberação do glutamato por meio da estimulação não tetânica de um neurônio pré-sináptico. O glutamato então se liga aos receptores AMPA contidos na membrana pós-sináptica, causando o influxo de átomos de sódio carregados positivamente. Este fluxo interno de sódio leva a uma despolarização de curto prazo do neurônio pós-sináptico e um EPSP. Embora uma única despolarização desse tipo possa não ter muito efeito no neurônio pós-sináptico, as despolarizações repetidas causadas por estimulação de alta frequência podem levar à somação de EPSP e ultrapassar o potencial de limiar.
GABA como um exemplo inibitório
Em contraste com o glutamato, o neurotransmissor GABA funciona principalmente para desencadear potenciais pós-sinápticos inibitórios (IPSPs) em vertebrados. A ligação de GABA a um receptor pós-sináptico causa a abertura de canais iônicos que causam um influxo de íons de cloreto carregados negativamente na célula ou um efluxo de íons de potássio carregados positivamente para fora da célula. O efeito dessas duas opções é a hiperpolarização da célula pós-sináptica, ou IPSP. A soma com outros IPSPs e EPSPs contrastantes determina se o potencial pós-sináptico atingirá o limiar e fará com que um potencial de ação seja disparado no neurônio pós-sináptico.
EPSP e despolarização
Enquanto o potencial de membrana estiver abaixo do limite para impulsos de disparo, o potencial de membrana pode somar entradas. Ou seja, se o neurotransmissor em uma sinapse causar uma pequena despolarização, uma liberação simultânea do transmissor em outra sinapse localizada em outro lugar no mesmo corpo celular irá somar para causar uma despolarização maior. Isso é chamado de soma espacial e é complementado por soma temporal, em que sucessivas liberações de transmissor de uma sinapse causarão mudança de polarização progressiva, desde que as mudanças pré-sinápticas ocorram mais rápido do que a taxa de decaimento das mudanças de potencial de membrana no neurônio pós-sináptico. Os efeitos do neurotransmissor duram várias vezes mais do que os impulsos pré-sinápticos e, portanto, permitem a soma do efeito. Assim, o EPSP difere dos potenciais de ação de uma maneira fundamental: ele soma entradas e expressa uma resposta gradativa, em oposição à resposta tudo-ou-nada da descarga de impulso.
IPSP e hiperpolarização
Ao mesmo tempo em que um determinado neurônio pós-sináptico está recebendo e somando neurotransmissores excitatórios, ele também pode estar recebendo mensagens conflitantes que o estão dizendo para desligar o disparo. Essas influências inibitórias (IPSPs) são mediadas por sistemas de neurotransmissores inibitórios que causam a hiperpolarização das membranas pós-sinápticas. Esses efeitos são geralmente atribuídos à abertura de canais iônicos seletivos que permitem que o potássio intracelular deixe a célula pós-sináptica ou que o cloreto extracelular entre. Em ambos os casos, o efeito líquido é aumentar a negatividade intracelular e mover o potencial de membrana para mais longe do limiar de geração de impulsos.
EPSPs, IPSPs e processamento algébrico
Quando EPSPs e IPSPs são gerados simultaneamente na mesma célula, a resposta de saída será determinada pelas forças relativas das entradas excitatórias e inibitórias. As instruções de saída são, portanto, determinadas por esse processamento algébrico de informações. Como o limiar de descarga através de uma sinapse é uma função dos voleios pré-sinápticos que agem sobre ela, e como um determinado neurônio pode receber ramificações de muitos axônios, a passagem de impulsos em uma rede de tais sinapses pode ser muito variada. A versatilidade da sinapse decorre de sua capacidade de modificar informações somando algebricamente os sinais de entrada. A mudança subsequente no limiar de estimulação da membrana pós-sináptica pode ser aumentada ou inibida, dependendo do transmissor químico envolvido e das permeabilidades de íons. Assim, a sinapse atua como um ponto de decisão no qual a informação converge e é modificada pelo processamento algébrico de EPSPs e IPSPs. Além do mecanismo inibitório de IPSP, há um tipo de inibição pré-sináptica que envolve uma hiperpolarização no axônio inibido ou uma despolarização persistente; se é o primeiro ou o último depende dos neurônios específicos envolvidos.
Pesquisa atual
Os microeletrodos usados por Katz e seus contemporâneos empalidecem em comparação com as técnicas de gravação tecnologicamente avançadas disponíveis hoje. A soma espacial começou a receber muita atenção da pesquisa quando foram desenvolvidas técnicas que permitiam o registro simultâneo de vários loci em uma árvore dendrítica. Muitos experimentos envolvem o uso de neurônios sensoriais, especialmente neurônios ópticos, porque eles estão constantemente incorporando uma frequência variável de entradas inibitórias e excitatórias. Os estudos modernos de somação neural enfocam a atenuação dos potenciais pós-sinápticos nos dendritos e no corpo celular de um neurônio. Essas interações são ditas não lineares, porque a resposta é menor do que a soma das respostas individuais. Às vezes, isso pode ser devido a um fenômeno causado pela inibição chamado shunt , que é a condutância diminuída dos potenciais pós-sinápticos excitatórios.
A inibição do desvio é exibida no trabalho de Michael Ariel e Naoki Kogo, que experimentaram o registro de células inteiras no núcleo óptico basal da tartaruga. Seu trabalho mostrou que a soma espacial dos potenciais pós-sinápticos excitatórios e inibitórios causou atenuação da resposta excitatória durante a resposta inibitória na maior parte do tempo. Eles também notaram um aumento temporário da resposta excitatória ocorrendo após a atenuação. Como controle, eles testaram a atenuação quando os canais sensíveis à voltagem eram ativados por uma corrente de hiperpolarização. Eles concluíram que a atenuação não é causada por hiperpolarização, mas por uma abertura dos canais do receptor sináptico causando variações de condutância.
Potenciais aplicações terapêuticas
Com relação à estimulação nociceptiva , a soma espacial é a capacidade de integrar a entrada dolorosa de grandes áreas, enquanto a soma temporal se refere à capacidade de integrar estímulos nociceptivos repetitivos. Dor generalizada e de longa duração são características de muitas síndromes de dor crônica. Isso sugere que as somas espaciais e temporais são importantes em condições de dor crônica. De fato, por meio de experimentos de estimulação de pressão, foi demonstrado que a soma espacial facilita a soma temporal de entradas nociceptivas, especificamente a dor por pressão. Portanto, direcionar os mecanismos de soma espacial e temporal simultaneamente pode beneficiar o tratamento de condições de dor crônica.