Historia de la neurociencia: Hodgkin y Huxley

A fines de la década de 1930, los investigadores habían llegado a comprender varias cosas importantes sobre la conducción de señales dentro de las neuronas . Por ejemplo, sabían que la señalización dentro de las neuronas es de naturaleza eléctrica (a diferencia de la señalización entre neuronas, que suele ser química), y que se produce en ráfagas de actividad denominadas potenciales de acción . Y sabían que los potenciales de acción son estimulados por el movimiento de iones de sodio a través de la membrana neuronal a través de proteínas llamadas canales iónicos . Pero los detalles completos de lo que sucede durante un potencial de acción no quedaron completamente claros hasta que Alan Hodgkin y Andrew Huxley comenzaron a colaborar en el tema en 1939.

¿Qué es un potencial de acción?

Para comprender los hallazgos de Hodgkin y Huxley, es útil tener algunos antecedentes sobre lo que sucede durante un potencial de acción. Cuando una neurona está en reposo, hay una variedad de partículas cargadas llamadas iones que se distribuyen de manera desigual dentro y fuera de la célula. Los iones son simplemente átomos que han ganado o perdido un electrón; esta ganancia o pérdida de electrones da a los átomos una carga total negativa o positiva, respectivamente. Cuando una neurona no está excitada, los iones de sodio con carga positiva se acumulan fuera de la neurona, mientras que los iones de potasio con carga positiva se acumulan en el interior. También hay iones de cloruro con carga negativa que se acumulan en el exterior e iones orgánicos que se acumulan en el interior de la célula. Una serie de mecanismos, que incluyen pasivos (p. ej., difusión) y activos (p. ej., la bomba de Na-K).), trabajan para mantener un equilibrio desigual de partículas cargadas positiva y negativamente entre el interior y el exterior de la neurona. Esta diferencia de carga se conoce como potencial de membrana en reposo ; típicamente en las neuronas es alrededor de -65 a -70 mV, lo que significa que el interior de la neurona está cargado negativamente con respecto al exterior.

Durante un potencial de acción, el potencial de membrana cambia rápidamente. En la época de Hodgkin y Huxley ya se sospechaba que este cambio rápido se producía por el movimiento de iones de sodio cargados positivamente desde el exterior hacia el interior de una neurona a través de canales iónicos. Se pensaba que la entrada de partículas cargadas positivamente era la base del estallido de energía eléctrica que luego viajaba por la neurona como un potencial de acción. Sin embargo, se desconocía el alcance del cambio en el potencial de membrana, y aún no se había dilucidado el papel exacto de los diferentes tipos de iones que se encuentran en el líquido intracelular y extracelular de las neuronas.

Pinzas de voltaje y axones de calamar

Una de las dificultades para comprender los potenciales de acción antes del trabajo de Hodgkin y Huxley era que las neuronas son increíblemente pequeñas. (En su punto más grande, miden alrededor de 100 micrómetros, pero pueden tener menos de 10 micrómetros. En comparación, un cabello humano mide alrededor de 80 micrómetros). Los científicos descubrieron que el tamaño de los axones en la mayoría de las especies dificultaba o imposibilitaba insertar una grabación . dispositivo para medir los cambios de voltaje durante un potencial de acción.

Hodgkin y Huxley solucionaron este problema estudiando los potenciales de acción en los axones relativamente enormes (hasta 1 mm de diámetro) del calamar. Insertaron un fino electrodo capilar en el axón gigante del calamar y pudieron medir los cambios eléctricos dentro del axón durante un potencial de acción. Descubrieron que el potencial de membrana de la neurona en realidad se invierte durante un potencial de acción, lo que hace que la neurona tenga momentáneamente un potencial de membrana positivo . Esta rápida inversión del potencial de membrana fue el impulso para la generación de la señal eléctrica subyacente al potencial de acción.

Hodgkin y Huxley también utilizaron una herramienta innovadora que les permitió determinar la contribución de diferentes iones al cambio en el potencial de membrana observado durante un potencial de acción. El dispositivo, llamado abrazadera de voltaje , utiliza estimulación eléctrica y retroalimentación para establecer el potencial de membrana de una neurona en un voltaje particular y mantenerlo allí. Los intentos anteriores de medir la contribución exacta de los diferentes iones al potencial de acción se vieron obstaculizados por la dependencia del voltaje de los canales iónicos involucrados. Canales iónicos dependientes del voltajeabren y cierran cuando el potencial de membrana alcanza un voltaje particular. Por tanto, debido a que el potencial de acción implica cambios rápidos en el potencial de membrana, también implica fluctuaciones rápidas en la apertura y cierre de los canales iónicos. Esto sucede tan rápido que los investigadores anteriores a Hodgkin y Huxley no pudieron reducir la velocidad lo suficiente como para comprender lo que estaba sucediendo. Al usar una abrazadera de voltaje, Hodgkin y Huxley esencialmente pudieron “congelar” la neurona en voltajes particulares, lo que les permitió recopilar detalles sobre lo que estaba sucediendo en la neurona en cada etapa del potencial de acción.

Hodgkin y Huxley usaron la abrazadera de voltaje mientras manipulaban los niveles de diferentes iones en el líquido extracelular. De esta forma pudieron determinar la contribución exacta de los iones de sodio y potasio (y cloruro y orgánicos) al potencial de acción. Determinaron que una entrada de iones de sodio a través de canales de iones de sodio dependientes de voltaje provoca un cambio rápido en el potencial de membrana, lo que provoca el inicio de la señal eléctrica que se conoce como potencial de acción. Sin embargo, inmediatamente después de este cambio en el potencial de membrana, se abren canales iónicos que permiten que los iones de potasio fluyan fuera de la neurona. Esto ayuda a que el potencial de membrana vuelva a su nivel normal.

El trabajo de Hodgkin y Huxley permitió por primera vez a los investigadores una visión paso a paso de los procesos involucrados en un potencial de acción. Sus hallazgos hicieron que el interés en la electrofisiología se disparara, lo que eventualmente inspiró el desarrollo de una forma más precisa de pinza de voltaje conocida como pinza de parche , que permite la medición de corriente a través de canales de iones únicos. Sin embargo, quizás lo más importante es que los esfuerzos exitosos de Hodgkin y Huxley para modelar con precisión el potencial de acción sentarían las bases para un enfoque más cuantitativo de la biología en el siglo XX.

Schwiening, C. (2012). Una breve perspectiva histórica: Hodgkin y Huxley The Journal of Physiology, 590 (11), 2571-2575 DOI: 10.1113/jphysiol.2012.230458