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Potencial de acción en el axón gigante del calamar

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Manuel José Gómez Bedoya - 2185177 Daniel Ernesto de la Cruz López - 2185624 David Esteban Bedoya Girón - 2185004 Universidad Autónoma de Occidente – Facultad de ingeniería. ____________________________________________________________________________ ______________ Se puede observar que con un estímulo de una amplitud de 10µA durante 1 ms, no se genera un potencial de acción (lo que responde a la primera pregunta de esta actividad), por lo I. INTRODUCCIÓN En esta práctica se estudiará, comprenderá y analizará la forma que se infiere que no se superó el umbral de excitación, a este en que se genera el potencial de acción de (PA) en el axón tipo de estímulo se le conoce como estímulo subumbral (lo gigante del calamar para así también comprender la relación que responde la segunda pregunta de esta actividad), el cual que existe entre el PA y la conductancia de los iones de Na + y tiene como característica, que al realizar el estímulo, este K+, como se ha venido estudiando en electrofisiología celular, quedará por debajo del umbral de excitación. teniendo en cuenta los conocimientos en materia del PA, V Rm, INa, IK, GNa y GK. Adicionalmente se estudiarán los casos para los cuales el o los estímulos producen uno o varios PA y determinar el periodo refractario tanto absoluto como relativo para cada situación, en donde se observará la existencia o no de una dependencia de las variables a observar (amplitud, duración e intervalo entre estímulos). Teniendo en cuenta lo mencionado anteriormente, se llevará a cabo el estudio bajo una simulación en la aplicación “LAB AXON 5.2” en lo que corresponde al axón gigante de calamar a tratar.

Actividad 2 Tabla 1. Duración vs intensidad del estímulo en condiciones específicas.

II. METODOLOGÍA Para realizar el siguiente laboratorio, se utilizó la herramienta computacional “LAB AXON 5.2”, esta para simular diferentes gráficas de cómo se relaciona el potencial de acción con las concentraciones tanto extra como intracelular de sus iones y con la duración e intensidad del estímulo aplicado. Los cambios realizados a las concentraciones de los iones y a la duración e intensidad del estímulo, se hicieron con respecto a una guía de laboratorio, estos cambios nos permiten responder unos interrogantes impuestos en la guía y llevar un análisis correspondiente con lo visto en clase.

Figura 2. Gráfica duración vs intensidad en condiciones de control.

III. RESULTADOS Actividad 1. Figura 1. Estímulo de 10µA durante 1 ms.

En la Figura 2, se observa que conforme aumenta el tiempo (ms) de duración del estímulo, la intensidad (µa) del estímulo necesaria para generar el potencial de acción va disminuyendo.

2 Figura 3. Gráfica duración vs intensidad con [K]o= 6mM

En la figura 3 se observa la misma tendencia que en la figura 2, la cual es que a medida que aumenta el tiempo (ms) de duración del estímulo, la intensidad de este necesaria para generar el potencial de acción disminuye, pero se observa que al aumentar concentración de potasio extracelular, se necesita una menor intensidad del estímulo para generar el potencial de acción en comparación con la que tiene las concentraciones en estado de control, esto debido a que el potencial de la membrana se volverá más positivo, por lo que se necesitará de un menor estímulo para alcanzar el umbral.

Figura 5. Dos estímulos con amplitud de 15 µA, duración de 1 ms e intervalo de 20 ms.

Se puede observar que es se generan dos potenciales de acción dadas las condiciones en que los estímulos fueron sometidos, se identifica que este intervalo de 20 ms favorece la situación de encontrarse en un periodo refractario relativo, dado que al aplicarse la intensidad del segundo estímulo se desencadena otro PA. Figura 6. Dos estímulos con amplitud de 15 µA, duración de 1 ms e intervalo de 15 ms.

Figura 4. Gráfica duración vs intensidad con [Na]o= 110mM

Tomando como referencia la figura 5, aún en este intervalo de 10 ms se puede desencadenar otro potencial de acción debido a que el segundo estímulo no se encuentra en el periodo refractario absoluto, sino en el relativo.

En la figura 4 se observa la misma tendencia que en las figuras 2 y 3, la que es que a medida que aumenta el tiempo (ms) de duración del estímulo, la intensidad de este necesaria para generar el potencial de acción disminuye, pero en esta se observa que al disminuir la concentración de sodio extracelular, se necesita una mayor intensidad del estímulo para generar el potencial de acción en comparación con la que tiene las concentraciones en estado de control, esto debido a que el potencial de la membrana se volverá más negativo, por lo que necesitará de un mayor estímulo para alcanzar el umbral.

Figura 7. Dos estímulos con amplitud de 15 µA, duración de 1 ms e intervalo de 10 ms.

Actividad 3: Como se observa en la gráfica, al imponer un intervalo de 10 ms para cuando la duración y amplitud de ambos PÁ están fijadas a 1 ms y 15 uA respectivamente, nos podemos dar cuenta que este intervalo no es suficiente para lograr que se genere el

3 segundo PA consecutivo, dado que la intensidad del segundo estímulo no es lo suficientemente elevada para desencadenar el otro PA a pesar de estar en un periodo refractario relativo.

Figura 10. Dos estímulos con duración de 1 ms e intervalo de 10 ms, uno con una intensidad de 15 µA y el segundo con la mínima necesaria para 2 PA.

Figura 8. Dos estímulos con duración de 1 ms, el primero con 15 µA de amplitud y el segundo con 100 µA de amplitud. (Inicio periodo refractario relativo)

En la Figura 8 se observa que en el intervalo de 6 ms se da el inicio del periodo refractario relativo, ya que se observa como se necesita de un mayor estímulo a comparación del inicial para generarse, y se dice que es el inicio ya que en un intervalo menor, el potencial de acción no se generaba aunque se aumentara la intensidad del estímulo desmesuradamente, por lo que se puede inferir entonces que antes del intervalo de 6 ms este se encontraba en un periodo refractario absoluto.

Nuevamente tomando como referencia la figura 7, teniendo en cuenta que con el intervalo de 10 ms para las condiciones dadas (duración de 1 ms y amplitud de 15 µA para ambos PA) no se generaba el segundo PA, entonces se procedió a determinar el valor mínimo que debía tomar la amplitud del segundo estímulo para que fuera posible que se generara el segundo PA con un intervalo de 10 ms, identificando que el valor mínimo que debía tomar esta amplitud era de 21µA. Tabla 2

Figura 9. Dos estímulos con amplitud de 15 µA, duración de 1 ms. (Fin periodo refractario relativo)

Figura 11.

Como se observa en la figura 7, con un intervalo de 10 ms no es posible que se genere el segundo PA con las condiciones dadas (duración de 1 ms y amplitud de 15 µA para ambos PA), por lo que se infiere que en el intervalo de 12 ms se termina el periodo refractario relativo, ya que el siguiente potencial de acción se genera con la misma intensidad y duración del estímulo que en el primer potencial.

A medida que se aumenta el intervalo entre los estímulos, para una amplitud fija se observa que se requiere de una menor duración del segundo estimulo para que se desencadene un potencial de acción; así mismo se observa que se requiere de una menor amplitud para que se desencadene un potencial de

4 acción cuando la duración del estimulo es fijo. El periodo refractario absoluto del potencial se da en el intervalo de 2 ms hasta 5 ms, como se puede observar en la tabla y en las simulaciones realizadas, y el periodo relativo se da desde el fin de periodo absoluto hasta que este logra alcanzar el potencial de reposo, y se genere el potencial de acción con el mismo estímulo que se generó el primero. Actividad 4: Figura 12. Estímulo con duración 1.5 ms, intensidad de 7.5 µA y una frecuencia de 10 Hz.

Como se observa en la gráfica, con estas condiciones, la frecuencia de 65 Hz permite que se establezcan 4 PA consecutivos. Figura 15. Estímulo con duración 1.5 ms, intensidad de 7.5 µA y una frecuencia de 70 Hz.

Se observa que para estas medidas establecidas (duración de 1,5 ms e intensidad de 7,5 µA), la frecuencia de 10 Hz no es suficiente para generar un PA. A este estimulo se le denomina subumbral, ya que no logra generar un PA. Figura 13. Estímulo con duración 1.5 ms, intensidad de 7.5 µA y una frecuencia mínima para generar PA.

Se precisa en esta figura que, con una frecuencia de 70 Hz para las medidas establecidas, esta logra que se establezcan 3 PA consecutivos. Figura 16. Estímulo con duración 1.5 ms, intensidad de 7.5 µA y una frecuencia de 75 Hz.

Se observa que, para las condiciones establecidas, la frecuencia mínima que se necesita para que se genere un PA es de 60 Hz, estableciendo inicialmente 6 PA consecutivos. Figura 14. Estímulo con duración 1.5 ms, intensidad de 7.5 µA y una frecuencia de 65 Hz.

Se reconoce en esta figura que, con una frecuencia de 75 Hz para las medidas establecidas, nuevamente logra que se establezcan 3 PA consecutivos. Figura 17. Estímulo con duración 1.5 ms, intensidad de 7.5 µA y una frecuencia de 80 Hz.

5 en la frecuencia de 90 Hz. Lo anterior para un intervalo de 100 ms que se logra tener en cuenta en el programa.

Se puede identificar en la gráfica que, partiendo de las condiciones de duración y amplitud, para la frecuencia de 80Hz se logran presentar 2 potenciales de acción consecutivos. Figura 18. Estímulo con duración 1.5 ms, intensidad de 7.5 µA y una frecuencia de 85 Hz.

RESPUESTA A PREGUNTAS DE ACTIVIDAD 4: Los potenciales graduados son potenciales mediados en relación con la cantidad de estímulo que se aplica a una neurona, la forma en que se suman estos puede ser espacial o temporal. La sumación espacial se diferencia de la temporal en que la primera forma realiza una sumación de la diferencia de voltaje en distintas partes de la membrana, por el contrario, la sumación temporal toma una localidad de la membrana fija y suma los cambios de voltaje en un tiempo dado. Para los dos casos, si la sumación es positiva se supera el umbral y se desencadena el PA. Los PA no presentan sumación debido a que estos son del tipo todo o nada, es decir que este al tener un periodo refractario puede que, para varios estímulos, estos no alcancen a desencadenar PA porque no alcancen el umbral, quien dependerá de variables como la frecuencia (pues la sumación depende de la frecuencia y de mediaciones, sin característica del todo o nada.) IV. CONCLUSIONES •

• Partiendo de esta gráfica, identificamos que, al establecer una frecuencia de 85 Hz para las medidas establecidas, esta frecuencia permite que se generen 4 PA consecutivos. Figura 19. Estímulo con duración 1.5 ms, intensidad de 7.5 µA y una frecuencia de 90 Hz.

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Para una frecuencia de 90 o mayor a este valor se observa que no se alcanza a desencadenar algún potencial de acción, se observa un leve aumento en el potencial de la membrana, pero desciende rápidamente. DESCRIPCIÓN GENERAL ACTIVIDAD 4: Al aumentar la frecuencia del estímulo a partir de 60 Hz que es el valor donde se pueden empezar a evidenciar PA, se observa que cada vez se van disminuyendo la cantidad de PA hasta una frecuencia de 80 Hz y en 85 Hz se duplica el número de PA respecto a la frecuencia anterior para terminar sin PA

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El potencial de acción al aplicar un segundo estímulo tiene diversos factores que inciden en él, como lo son la amplitud entre estímulos, la amplitud y duración de cada uno. A mayor intervalo entre estímulos, la duración mínima necesaria para que se presente un segundo PA a una amplitud fija de 15 uA baja; así como también la amplitud a una duración fija de 1 ms, es decir, el intervalo ante estas dos variables tiene un comportamiento inversamente proporcional. Se concluyó que cuando el potencial de membrana se vuelve más negativo, la intensidad del estímulo para generar un potencial de acción debe de ser mayor. El periodo refractario tanto absoluto como relativo son espacios en los cuales se pueden explicar algunos fenómenos para el comportamiento del axón dado un segundo estímulo, definiendo las franjas para poder desencadenar los potenciales de acción o no a partir de los canales iónicos (apertura, cierre e inactivación). Se identificó que para la generación del PA en el momento en que se establecen parámetros fijos y otro variable, el cual definirá el valor mínimo que se necesita para establecer la propagación de un PA, no en todas las ocasiones es suficiente el cambio de este parámetro variable, ya se llega a un punto donde no solo necesita de este valor, sino que se requerirá de la variación de las medidas fijas establecidas para lograr establecer el PA. En el periodo refractario relativo se puede desencadenar un potencial acción, pero este necesita de un estímulo mayor al cual se le aplica en estado de reposo.

6 V. REFERENCIAS

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[1] D. Bers, J. Puglisi and W. Salah, LAB AXON. California: Universidad de California, 2001. [2]P. Carrión, J. Rodenas and C. Sanchez, "Aplicaciones de la ingeniería electrónica e informática en medicina", Google Books, 2007. [Online]. Available: https://books.google.com.co/books?id=Prl9lyZrei gC&pg=PA66&lpg=PA66&dq=sumaci%C3%B3n +temporal+de+potenciales+graduados+a+partir +de+la+frecuencia&source=bl&ots=QIwf7-kT5&sig#v=onepage&q=sumaci%C3%B3n%20t emporal%20de%20potenciales%20graduados% 20a%20partir%20de%20la%20frecuencia&f=fals e. [Accessed: 15- May- 2020].