3. El Control De Voltaje
1. Invención de la técnica
La técnica que más ha contribuido a nuestro entendimiento de los cambios en la conductancia de la membrana responsables de la generación del potencial de acción es el 'control de voltaje.' Esta técnica consiste en mantener constante el potencial transmembrana, a pesar que las corrientes iónicas de la membrana pueden generar potenciales. Fue inventada por K.S. Cole, quien hizo la siguiente descripción de ella.
Según Cole (1968), en alguna ocasión L.J. Savage le preguntó porqué no ponía dentro del axón un electrodo que llevara la corriente y le permitiera medir directamente los parámetros que estaba midiendo en forma indirecta. Cole dice que protestó porque consideró que la impedancia del electrodo predominaría, ya que no podía hacer electrodos tan buenos para un área tan pequeña. Sin embargo, su estudiante George Marmont le propuso un diseño experimental que tenía un electrodo largo colocado en el eje del axón para llevar la corriente y otro electrodo externo coaxial con guardas equipotenciales a cada extremo; además, un circuito electrónico de retroalimentación con medición directa del potencial transmembrana para inyectar la corriente necesaria para cambiar el potencial. Finalmente, indicó que tanto el potencial como la corriente debían ser controlados.
El arreglo tenía la ventaja de que la densidad de corriente y el potencial serían los mismos a cada momento y en todos los puntos del área de membrana medida, mientras las guardas eliminarían los complicados cambios de corriente en el tiempo y el espacio que ocurrirían en los extremos de esa área. El sistema permitiría hacer por primera vez una medición directa de la densidad absoluta de la corriente de membrana y de su relación con el potencial de membrana.
Ese nuevo enfoque tenía grandes complicaciones experimentales, colocar el axón, colocar los electrodos interno y externo, circular el medio externo y ajustar la velocidad y estabilidad del control electrónico (Marmont, 1949). Pero desde el punto de vista de las posibilidades teóricas y de análisis, las ventajas eran muy superiores a las dificultades. Así, al eliminar los circuitos locales de corriente que permiten que el impulso despolarize las regiones de la membrana a las que se acerca, se podía decir que se había robado al axón de sus propiedades ancestrales de propagar un impulso.
Los electrodos de guarda ya habían sido utilizados por Kelvin y se sabía bien su importancia así como sus características. Por ejemplo, se requería resolver dos problemas: 1) que el espacio entre los electrodos de medir y de guarda fuera suficientemente pequeño para que la densidad de la corriente y del potencial variaran lo menos posible, y; 2) que las guardas fueran suficientemente largas para atenuar cualquier evento que ocurriera más allá de los electrodos. Los electrodos serían de plata clorurada y el potencial de membrana quedaría medido entre el electrodo axial y el electrodo en el exterior.
El concepto de retroalimentación también había sido ya desarrollado y aplicado ampliamente por Norbert Wiener (1948) bajo el nombre de cibernética. En la aplicación de esta al control de voltaje, la diferencia entre la posición actual del sistema y la deseada sería usada para controlar el voltaje y reducir el error.
El potencial constante (como el que se produce durante un pulso cuadrado) era un concepto que había sido usado para estabilizar el alambre de hierro (Bartlett, 1945) y le pareció a Cole que su aplicación en el caso del axón era prometedora. Así, un pulso cuadrado de potencial a partir del potencial de reposo descargaría transitoriamente la capacitancia de la membrana, pero después la corriente capacitiva sería cero durante el tiempo en que no hubiera cambio de potencial. Esto simplificaría la situación al extremo, ya que entonces solamente fluiría corriente iónica y ésta podría ser medida directamente.
Probablemente de la misma importancia era la convicción de que la membrana tenía una resistencia característica con forma de N en el plano corriente/voltaje. Como cuando se aplicaban pulsos de corriente constante el axón había mostrado inestabilidad, generando potenciales de acción con características todo-o-nada, había buenas razones para esperar que bajo un potencial constante la membrana sería estable, sin el umbral ni el comportamiento todo-o-nada desarrollados en una situación inestable.
2. Descripción de la técnica
En principio el control de voltaje es una técnica bastante sencilla. El control podría implementarse conectando a ambos lados de la membrana los polos de una batería, si ésta tuviera una impedancia de salida despreciable y pudiera proporcionar suficiente corriente. Aún así, cuando la batería es conectada como se ve en la figura, su voltaje estaría siempre impuesto a la resistencia de la membrana.
FIGURA
Para instrumentar una técnica de corriente constante podríamos usar la misma batería, si ahora interponemos un resistor grande en serie. De esta manera la corriente generada por la batería sería casi constante e independiente de los cambios en resistencia de la membrana, ya que la carga sería el resistor.
FIGURA
Sin embargo, aunque en principio una batería podría ser útil para controlar el voltaje de la membrana, no es muy buena selección porque las corrientes iónicas que produce la membrana se desarrollan rápidamente (en microsegundos) y cambían de signo abruptamente. Una complicación más es que los valores de la resistencia de la membrana pueden llegar a ser muy pequeños, lo que la convertiría en una carga para la batería. Así, Cole usó un circuito electrónico construido con bulbos al vacío, que actualmente han sido reemplazados por amplificadores operacionales.
3. Primeros resultados
Para 1947 Cole tenía trabajando todas las partes del sistema y aunque hubo problemas, ya fue posible obtener registros con el control de voltaje que permitieron alcanzar algunas concusiones: 1) no había señales del umbral o comportamiento inestable en función del tiempo o potencial; 2) la corriente inicial entrante era pequeña y lenta para depolarizaciones de 18 mV, pero aumentaba suavemente en amplitud y velocidad hasta los 38 mV; 3) conforme los pulsos de potencial eran mayores la corriente era más rápida, pero disminuía en tamaño hasta desaparecer entre 64 y 128 mV, y; 4) para todos los potenciales siguientes la corriente fluía hacia afuera.
Así, Cole encontró que había tenido éxito no solamente en evitar la propagación del impulso, sino que también había evitado que la membrana respondiera de una manera todo-o-nada. Esos registros (Cole, 1949) proporcionaron la base para un explicación completamente cuantitativa de la iniciación, producción y recuperación del potencial de acción y su propagación, hechas posteriormente por Hodgkin y Huxley (1952d).
