La reobase es una medida de la excitabilidad potencial de membrana . En neurociencia , reobase es la amplitud mínima de corriente de duración infinita (en sentido práctico, unos 300 milisegundos) que hace que se alcance el umbral de despolarización de las membranas celulares, como un potencial de acción o la contracción de un músculo. [1] En griego , la raíz rhe se traduce como "corriente o flujo", y basi significa "fondo o base": por lo tanto, la reobase es la corriente mínima que producirá un potencial de acción o contracción muscular.
La reobase se puede entender mejor en el contexto de la relación fuerza-duración (Fig. 1). [2] La facilidad con la que se puede estimular una membrana depende de dos variables: la fuerza del estímulo y la duración durante la cual se aplica el estímulo. [3] Estas variables están inversamente relacionadas: a medida que aumenta la intensidad de la corriente aplicada, el tiempo necesario para estimular la membrana disminuye (y viceversa) para mantener un efecto constante. [3] Matemáticamente, la reobase equivale a la mitad de la corriente que debe aplicarse durante la cronaxia , que es una constante de tiempo de fuerza-duración que corresponde a la duración del tiempo que provoca una respuesta cuando el nervio se estimula al doble de reobase. fortaleza. [3]
La curva fuerza-duración fue descubierta por primera vez por G. Weiss en 1901, pero no fue hasta 1909 que Louis Lapicque acuñó el término reobase . [4] Se están realizando muchos estudios en relación con los valores de reobase y los cambios dinámicos a lo largo de la maduración y entre diferentes fibras nerviosas. [5] En el pasado se utilizaban curvas de resistencia-duración y determinaciones de reobase para evaluar la lesión nerviosa ; hoy en día, desempeñan un papel en la identificación clínica de muchas patologías neurológicas, incluida la neuropatía diabética , la PDIC , la enfermedad de Machado-Joseph , [6] y la ELA . [7]
La constante de tiempo fuerza-duración (cronaxia) y la reobase son parámetros que describen la curva fuerza-duración, la curva que relaciona la intensidad de un estímulo umbral con su duración. A medida que aumenta la duración de un estímulo de prueba, disminuye la intensidad de la corriente necesaria para activar el potencial de acción de una sola fibra.
La curva de fuerza-duración es una gráfica de la corriente umbral (I) versus la duración del pulso (d) requerida para estimular el tejido excitable . [4] Como se mencionó, los dos puntos importantes de la curva son la reobase (b) y la cronaxia (c), que se correlaciona con el doble de la reobase (2b). Las curvas de fuerza-duración son útiles en estudios en los que la corriente requerida cambia cuando cambia la duración del pulso. [8]
En 1907, Louis Lapicque, un neurocientífico francés , propuso su ecuación exponencial para la curva fuerza-duración. Su ecuación para determinar la corriente I :
donde b se relaciona con el valor de reobase y c se relaciona con el valor de cronaxia durante la duración d .
La fórmula hiperbólica de Lapicque combina la amplitud umbral de un estímulo con su duración. Esto representa el primer método manejable con parámetros fisiológicamente definidos que podría comparar la excitabilidad de diferentes tejidos, lo que refleja una necesidad urgente a principios del siglo XX. [4] Lapicque utilizó pulsos de descarga de condensadores de corriente constante para obtener cronaxia para una amplia variedad de tejidos excitables. [4] La reobase en la ecuación de Lapicque es la asíntota de la curva hiperbólica en duraciones muy largas.
En 1901, G. Weiss propuso otra ecuación lineal utilizando una curva de duración de carga Q. La carga eléctrica Q se puede calcular con la siguiente ecuación:
Nuevamente, donde I es la corriente se mide en amperios multiplicados por la duración d . b se relaciona con el valor de reobase yc se relaciona con el valor de cronaxia.
La reobase en la fórmula de Weiss es la pendiente de la gráfica. La intersección con el eje x de la ecuación de Weiss es igual a bxc , o reobase multiplicada por cronaxia.
Esta ecuación sugiere que un gráfico de la intensidad del estímulo umbral frente a la duración del estímulo debería mostrar una disminución hacia cero a medida que aumenta la duración del estímulo, por lo que se predice que la intensidad del estímulo necesaria para alcanzar el umbral aumentará durante una estimulación más prolongada. [4] La curva de fuerza-duración para una membrana nerviosa típica está ligeramente sesgada con respecto al gráfico previsto, ya que la curva se aplana en respuesta a una estimulación repetitiva que alcanza una asíntota que representa la reobase. [4] Cuando la duración de un estímulo se prolonga, la transferencia de carga y el potencial de membrana aumentan exponencialmente hasta una meseta (en lugar de aumentar linealmente con el tiempo). [4] [6] Cuando la reobase excede la fuerza del estímulo, la estimulación no logra generar potenciales de acción (incluso con valores grandes de t); por tanto, si el estímulo es demasiado pequeño, el potencial de membrana nunca alcanza el umbral. La disparidad entre la forma de la curva fuerza-duración predicha por la ecuación de Weiss y la realmente observada en las membranas neurales puede atribuirse a la fuga de carga que se produce en condiciones fisiológicas, una característica de la resistencia eléctrica de la membrana. [4] [6] La ecuación de Weiss predice la relación entre la intensidad del estímulo y la duración de un condensador ideal sin resistencia a fugas.
A pesar de esta limitación, la ecuación de Weiss proporciona el mejor ajuste para los datos de resistencia-duración e indica que la reobase y la constante de tiempo (cronaxia) se pueden medir a partir de la curva de duración de la carga con un margen de error muy pequeño. [9] Weiss utilizó pulsos rectangulares de corriente constante y descubrió que la carga umbral requerida para la estimulación aumentaba linealmente con la duración del pulso. [4] También encontró que la carga del estímulo , el producto de la corriente del estímulo y la duración del estímulo, es proporcional a la reobase, de modo que solo se necesitan dos duraciones de estímulo para calcular la reobase. [6]
El uso de curvas de fuerza-duración se desarrolló en la década de 1930, seguido por el uso de mediciones de corriente umbral para el estudio de la excitabilidad axonal humana en la década de 1970. [6] El uso de estos métodos en neuropatías tóxicas ha permitido a los investigadores designar factores protectores para muchos trastornos de los nervios periféricos y varias enfermedades del sistema nervioso central (ver Importancia clínica).
El examen de la excitabilidad nerviosa complementa los estudios convencionales de conducción nerviosa al permitir conocer las características biofísicas de los axones , así como el funcionamiento de sus canales iónicos. [10] El protocolo tiene como objetivo proporcionar información sobre los canales iónicos nodales y internodales, y los índices son extremadamente sensibles al potencial de membrana del axón . [10] Estos estudios han proporcionado información sobre las condiciones caracterizadas por cambios en el potencial de reposo, como la concentración de electrolitos y el pH , así como el canal iónico específico y la función de la bomba en nervios normales y enfermos. [11] Además, los programas de software que permiten el cálculo de valores reobásicos y constantes de tiempo de nervios normales y enfermos han permitido recientemente a los investigadores identificar algunos factores importantes para una serie de trastornos nerviosos generalizados, muchos de los cuales implican una desmielinización sustancial (consulte Importancia clínica). . [10] [11] La estimulación eléctrica supraximal y la medición de la velocidad de conducción y las amplitudes de las respuestas motoras compuestas (CMAP) y sensoriales (SNAP) proporcionan medidas del número y las velocidades de conducción de las fibras mielinizadas grandes. [10] [11] Además, múltiples medidas de excitabilidad en el protocolo TROND permiten la evaluación de canales iónicos (canales de Na + transitorios y persistentes , canales de K + lentos ) en los nodos de Ranvier mediante el cálculo de curvas de respuesta al estímulo, constante de tiempo de duración de fuerza (cronaxia ), reobase y el ciclo de recuperación después del paso de un potencial de acción. [10] Esto se logra aplicando largas corrientes polarizadoras al nervio y midiendo la influencia del voltaje en los canales iónicos activados por voltaje debajo de la mielina. [10]
En las neuronas, la reobase se define como el paso de corriente más pequeño inyectado, de duración infinita, que da como resultado un potencial de acción. En la práctica, existen varios desafíos a la hora de medir la reobase. El protocolo general es inyectar corrientes de diversas amplitudes, observar si se produjo algún potencial de acción y luego refinar aún más la magnitud de la corriente inyectada hasta que se identifique el límite entre el comportamiento con y sin picos.
Duración
Como no es posible esperar un tiempo infinito, se inyectan corrientes de prueba durante períodos finitos. La duración actual varía según las publicaciones, pero es del orden de 0,1 a 5 segundos. Sin embargo, esto también implica que una corriente inyectada que no dio lugar a picos podría haber dado lugar a picos si la duración fuera mayor. Por este motivo, se debe especificar la duración actual al informar la reobase de una célula.
Precisión
Además de la duración actual, no es posible encontrar el valor exacto de reobase en una celda real. En las publicaciones, un método común es probar varias corrientes en algunos incrementos (por ejemplo, 10 pA) y encontrar las dos amplitudes de corriente consecutivas que dan y no dan como resultado potenciales de acción. La diferencia más pequeña entre las corrientes inferior y superior utilizadas es la precisión de búsqueda de reobase: la reobase "verdadera" se encuentra en algún lugar entre los dos valores de corriente probados.
La precisión también se ve afectada por el ruido térmico y la naturaleza estocástica de los canales iónicos. Si una celda no aumenta de manera confiable a una determinada amplitud de corriente, el método de búsqueda podría modificarse para incluir múltiples inyecciones de corriente repetidas para encontrar dicha corriente que resulte en picos de manera confiable.
Rango de amplitud de corriente máxima
Al buscar la reobase, se debe elegir un rango de amplitud de corriente adecuado. Si la corriente máxima utilizada es demasiado pequeña, no se producirán picos. Si es demasiado grande, la salud celular podría verse comprometida. Antes de comenzar la búsqueda, la resistencia de entrada de la membrana de la celda (de inyecciones de corriente negativa) se puede medir y usar para estimar la corriente necesaria para activar la celda (por ejemplo, si -10pA reduce el potencial en 20 mV, entonces una celda que descansa a -60 mV probablemente aumente al menos una vez en respuesta a inyecciones de +30pA).
Reobase negativa
La definición estándar de reobase supone que una celda determinada no aumenta cuando no se inyecta corriente. Sin embargo, algunas células se disparan espontáneamente (p. ej., células de marcapasos cardíacos ). Para tales células, una corriente negativa (inhibitoria) las silenciará, mientras que una corriente ligeramente menos negativa dará como resultado potenciales de acción. En tales casos, los protocolos de estimulación que utilizan la reobase y suponen que las tasas de aumento son proporcionales a la reobase producirán resultados sin sentido (por ejemplo, la tasa de aumento en respuesta a la reobase 2X no será mayor que a la reobase 1,5X).
Células explosivas
Las células que estallan producirán múltiples picos una vez activadas. Para este tipo de células, puede resultar muy difícil encontrar la corriente que produzca un solo pico en un período de tiempo determinado. Para tales celdas, se podría utilizar encontrar el límite entre las corrientes que resultan en ráfagas y las que no producen ráfagas.
Células con oscilaciones por debajo del umbral
Las células que exhiben oscilaciones por debajo del umbral exhibirán reobase dependiente de la fase. Si el inicio del paso actual coincide con el pico de una oscilación por debajo del umbral (la celda está más cerca del umbral de activación), se necesitará una corriente más pequeña para provocar un pico. Por el contrario, si el inicio del paso coincide con el valle de la oscilación (más lejos del umbral), será necesaria una corriente mayor para producir un pico. Se pueden utilizar diferentes retrasos antes del inicio y repetir las inyecciones de corriente para encontrar la corriente que garantizará que se produzca un pico independientemente de la fase de oscilación por debajo del umbral.
Temperatura
La temperatura del corte puede afectar la cinética del canal iónico y alterar la reobase. Esto significa que una corriente que produce un pico bajo una temperatura, podría no producir ningún pico bajo una temperatura diferente. Por este motivo, se debe especificar la temperatura del corte al informar la reobase de una célula.
Las propiedades de la membrana nodal determinan en gran medida las propiedades de fuerza-duración del axón , y éstas cambiarán con los cambios en el potencial de membrana, con la temperatura y con la desmielinización a medida que la membrana expuesta se agranda efectivamente mediante la inclusión de la membrana paranodal e intermodal. [9] Por lo tanto, la constante de tiempo de resistencia-duración es un reflejo de la función persistente del canal de Na + y, además, está influenciada por el potencial de membrana y las propiedades pasivas de la membrana. [10] Como tal, muchos aspectos de las pruebas de excitabilidad nerviosa dependen de las funciones del canal de sodio : a saber, la constante de tiempo de duración-fuerza, el ciclo de recuperación, la curva de estímulo-respuesta y la relación umbral-corriente. La medición de las respuestas en los nervios relacionadas con la función nodal (incluida la constante de tiempo de fuerza-duración y la reobase) y la función internodal ha permitido conocer la fisiología normal de los axones , así como las fluctuaciones normales de las concentraciones de electrolitos . [7]
La reobase está influenciada por la excitabilidad de la membrana ganglionar, que aumenta con la hiperpolarización y disminuye con la despolarización . Su dependencia del voltaje sigue el comportamiento de los canales de sodio persistentes que están activos cerca del umbral y tienen propiedades de canal de activación rápida e inactivación lenta. [6] La despolarización aumenta la corriente de Na + a través de los canales persistentes, lo que resulta en una menor reobase; la hiperpolarización tiene el efecto contrario. La constante de tiempo de resistencia-duración aumenta con la desmielinización, a medida que la membrana expuesta aumenta por la inclusión de la membrana paranodal y internodal. La función de este último de ellos es mantener el potencial de membrana en reposo , por lo que la disfunción internodal afecta significativamente la excitabilidad en un nervio enfermo. Estas implicaciones se analizan con más detalle en Importancia clínica.
Los estudios de excitabilidad nerviosa han establecido una serie de diferencias biofísicas entre los axones sensoriales y motores humanos . [6] Aunque los diámetros y las velocidades de conducción de las fibras motoras y sensoriales más excitables son similares, las fibras sensoriales tienen constantes de tiempo de fuerza-duración significativamente más largas. [11] Como resultado, los nervios sensoriales tienen una constante de tiempo de duración-fuerza más larga y una reobase más baja que los nervios motores. [7]
Muchos estudios han sugerido que las diferencias en la expresión de los canales de umbral podrían explicar las diferencias sensoriomotoras en la constante de tiempo de duración-fuerza. [11] Se cree que las diferencias en la constante de tiempo de fuerza-duración y la reobase de los axones sensoriales y motores normales reflejan diferencias en la expresión de una conductancia persistente de Na + . [12] Además, los axones sensoriales se adaptan más a las corrientes hiperpolarizantes de larga duración que los axones motores, lo que sugiere una mayor expresión de los canales rectificadores internos activados por la hiperpolarización . [12] Finalmente, la Na + /K + -ATPasa electrogénica es más activa en los nervios sensoriales, que tienen una mayor dependencia de esta bomba para mantener el potencial de membrana en reposo que los nervios motores. [6]
Se observan aumentos en la constante de tiempo fuerza-duración cuando esta conductancia se activa por despolarización o por hiperventilación . [7] Sin embargo, la desmielinización , que expone la membrana internodal con una constante de tiempo de membrana más alta que la del nodo original, también puede aumentar la constante de tiempo de resistencia-duración. [13]
La constante de fuerza-duración de las aferencias cutáneas y motoras disminuye con la edad, y esto corresponde a un aumento de la reobase. [7] Se han propuesto dos posibles razones para esta disminución relacionada con la edad en la constante de tiempo de fuerza-duración. En primer lugar, la geometría de los nervios podría cambiar con la edad debido a la pérdida axonal y la fibrosis neural . En segundo lugar, la conductancia persistente del Na + podría disminuir la maduración . Durante la isquemia se han observado disminuciones significativas en el umbral de las fibras sensoriales y motoras . [7] Estas disminuciones en el umbral se asociaron además con aumentos significativos en la constante de tiempo de resistencia-duración, lo que indica apreciablemente una disminución significativa en la corriente de reobase. Se cree que estos cambios son el resultado de canales de Na + no inactivantes y dependientes del voltaje , que están activos en potencial de reposo .
La degeneración y regeneración axonal son procesos comunes en muchos trastornos nerviosos. [10] Como consecuencia de la remodelación de la mielina, se sabe que la longitud internodal permanece persistentemente corta. [10] Poco se sabe acerca de cómo las neuronas afrontan el mayor número de nodos, excepto que puede haber un aumento compensatorio en los canales de Na + para que se restablezca la densidad internodal. [6] Sin embargo, la mayoría de los resultados de las investigaciones existentes sostienen que los axones regenerados pueden ser funcionalmente deficientes, ya que el acceso al canal de K + debajo de la mielina paranodal puede estar aumentado. [6] [10]
En el ámbito clínico, la función del entrenudo sólo puede explorarse mediante estudios de excitabilidad (ver Medición). Las observaciones experimentales que utilizan mediciones de umbral para evaluar la excitabilidad de las fibras nerviosas mielinizadas han indicado que la función de los entrenudos regenerados de hecho sigue siendo persistentemente anormal, y los axones motores regenerados muestran un aumento de la reobase y una disminución de la cronaxia, cambios que son consistentes con propiedades anormales de la membrana activa. [10] Estos estudios han determinado además que el bloqueo de la conducción dependiente de la actividad en la mielinización se debía a la hiperpolarización, así como a un aumento anormal de las corrientes de Na + y a una mayor disponibilidad de rectificadores rápidos de K + . [10] A continuación se enumeran los hallazgos sobre los cambios en la excitabilidad nerviosa y, por lo tanto, en la constante de tiempo de fuerza-duración, que se han observado en varios de los trastornos nerviosos más generalizados.
La esclerosis lateral amiotrófica (ELA) afecta los sistemas motores superior e inferior, con síntomas que van desde atrofia muscular , hiperreflexia y fasciculaciones , todo lo cual sugiere un aumento de la excitabilidad axonal. [7] Muchos estudios han concluido que la conductancia axonal reducida da como resultado la despolarización axonal , lo que lleva a la hiperexcitabilidad axonal y la generación de fasciculación. [6] [7] Los pacientes con ELA en estos estudios demostraron constantes de tiempo de duración-fuerza más largas y valores más bajos de reobase que en los sujetos de control . [6] [7]
Otro estudio ha demostrado que las reobases sensoriales no eran diferentes en los pacientes de los sujetos de control de la misma edad, mientras que las reobases motoras eran significativamente más bajas. [7] El descubrimiento de que los axones motores tienen una reobase más baja y una constante de fuerza-duración más larga en la ELA ha llevado a la conclusión de que las neuronas motoras son anormalmente excitables en la ELA, con propiedades más parecidas a las de las neuronas sensoriales . [7] Los cambios en la geometría del nervio debido a la pérdida de axones dentro del nervio periférico probablemente causen este cambio en la reobase. [7] Una conclusión lógica de los datos presentes es que existe una mayor conductancia persistente de Na + en reposo en los axones motores de pacientes con ELA de lo normal. [7]
La enfermedad de Machado-Joseph (MJD) es una enfermedad triplete repetida caracterizada por ataxia cerebelosa , signos piramidales , oftalmoplejía y polineuropatía . [6] Dado que los calambres musculares son frecuentes en la MJD, se ha considerado que la hiperexcitabilidad axonal desempeña un papel en la enfermedad. [6] [10] Las investigaciones han demostrado que la constante de tiempo de duración-fuerza en pacientes con MJD es significativamente más larga que en los controles, y esto corresponde a una reducción significativa de la reobase. [6] [10] Combinados con los hallazgos sobre los bloqueadores de los canales de Na + , estos datos sugieren que los calambres en la MJD probablemente sean causados por el aumento persistente de la conductancia de los canales de Na + que puede no estar regulado durante la reinervación axonal (que resulta de la degeneración axonal a largo plazo). ). [6] [10]
La característica distintiva de la polineuropatía diabética es una combinación de daño axonal y desmielinizante , que resulta de la desmielinización mecánica y disfunciones del canal/bomba. [6] Se ha descubierto que los pacientes diabéticos experimentan una constante de tiempo de duración-fuerza significativamente más corta y una reobase mucho más alta que los pacientes normales. [6]
La medición de la conducción sensorial en segmentos nerviosos distales ha mostrado defectos destacados en pacientes diabéticos, lo que sugiere que la función de los canales de Na + persistentes está disminuida en los diabéticos. [6] Estos experimentos además han abierto nuevas vías para la eficacia de los medicamentos preventivos. La medición de la cronaxia y la reobase en las fibras sensoriales surales ha revelado reducciones leves en la excitabilidad en los diabéticos, como lo demuestran las reducciones significativas en la velocidad de conducción y la cronaxia de las fibras sensoriales con los correspondientes aumentos en la reobase. [6] Estos efectos se atribuyen a la reducción de la actividad Na + -K + -ATPasa en el axón de pacientes diabéticos, lo que provoca que los iones Na + se acumulen intracelularmente, así como una posterior disminución del gradiente transmembrana de Na + . [6]
La enfermedad de Charcot-Marie-Tooth (CMT) es la forma más común de neuropatía hereditaria y se puede subdividir en dos tipos: Tipo 1: desmielinizante y Tipo 2: axonal. [6] La medición de la cronaxia y la reobase de estos nervios enfermos ha concluido que electrofisiológicamente, un paciente con CMT desmielinizante (Tipo I) demuestra una velocidad de conducción nerviosa lenta , frecuentemente acompañada de amplitudes reducidas de los potenciales de acción motores y sensoriales ; Además, la CMT axonal (Tipo II) puede atribuirse a una interacción deficiente entre las células de Schwann y los axones. [6] [10] Los cambios en las medidas de excitabilidad suelen ser universales y varían poco entre pacientes, y esto probablemente se debe a la distribución difusa de la desmielinización, lo que sugiere cambios en las propiedades del cable asociadas con entrenudos cortos. [10]
La neuropatía motora multifocal (NMM) es un caso clínico poco común, caracterizado casi en su totalidad por debilidad muscular , atrofia y fasciculaciones . [6] Una característica importante de MMN es que la constante de resistencia-duración es significativamente pequeña, lo que corresponde a un aumento apreciable en la reobase. [6] Se ha demostrado que ambas mediciones se normalizan después de la terapia con inmunoglobulinas intravenosas . [6]
La polineuropatía desmielinizante inflamatoria crónica (PDIC) es una polineuropatía desmielinizante inmunológica . [6] [10] Como resultado del aumento de la capacitancia paranodal debido a la desmielinización, los pacientes experimentan un mayor umbral de estimulación, una constante de tiempo de duración-fuerza más corta y un aumento de la reobase. [6] [10]
