En fisiología , un estímulo [1] es un cambio detectable en la estructura física o química del ambiente interno o externo de un organismo . La capacidad de un organismo u órgano para detectar estímulos externos, de modo que se pueda producir una reacción adecuada, se llama sensibilidad ( excitabilidad ). [2] Los receptores sensoriales pueden recibir información desde fuera del cuerpo, como los receptores táctiles que se encuentran en la piel o los receptores de luz en el ojo, así como desde el interior del cuerpo, como en los quimiorreceptores y mecanorreceptores . Cuando un receptor sensorial detecta un estímulo, puede provocar un reflejo mediante la transducción de estímulos . Un estímulo interno suele ser el primer componente de un sistema de control homeostático . Los estímulos externos son capaces de producir respuestas sistémicas en todo el cuerpo, como en la respuesta de lucha o huida . Para que un estímulo sea detectado con alta probabilidad, su nivel de fuerza debe superar el umbral absoluto ; Si una señal alcanza el umbral, la información se transmite al sistema nervioso central (SNC), donde se integra y se toma una decisión sobre cómo reaccionar. Aunque los estímulos comúnmente hacen que el cuerpo responda, es el SNC el que finalmente determina si una señal provoca una reacción o no.
Los desequilibrios homeostáticos son la principal fuerza impulsora de los cambios del cuerpo. Estos estímulos son monitoreados de cerca por receptores y sensores en diferentes partes del cuerpo. Estos sensores son mecanorreceptores , quimiorreceptores y termorreceptores que, respectivamente, responden a presión o estiramiento, cambios químicos o cambios de temperatura. Ejemplos de mecanorreceptores incluyen barorreceptores que detectan cambios en la presión arterial, los discos de Merkel que pueden detectar tacto y presión sostenidos y células ciliadas que detectan estímulos sonoros. Los desequilibrios homeostáticos que pueden servir como estímulos internos incluyen los niveles de nutrientes e iones en la sangre, los niveles de oxígeno y los niveles de agua. Las desviaciones del ideal homeostático pueden generar una emoción homeostática , como dolor, sed o fatiga, que motiva un comportamiento que restaurará el cuerpo al estasis (como abstenerse, beber o descansar). [3]
La presión arterial, la frecuencia cardíaca y el gasto cardíaco se miden mediante receptores de estiramiento que se encuentran en las arterias carótidas . Los nervios se incrustan dentro de estos receptores y cuando detectan un estiramiento, son estimulados y disparan potenciales de acción al sistema nervioso central . Estos impulsos inhiben la constricción de los vasos sanguíneos y reducen la frecuencia cardíaca. Si estos nervios no detectan el estiramiento, el cuerpo determina que percibe la presión arterial baja como un estímulo peligroso y no envía señales, impidiendo la inhibición de la acción del SNC; Los vasos sanguíneos se contraen y la frecuencia cardíaca aumenta, provocando un aumento de la presión arterial en el cuerpo. [4]
Las sensaciones sensoriales, especialmente el dolor, son estímulos que pueden provocar una gran respuesta y provocar cambios neurológicos en el cuerpo. El dolor también provoca un cambio de comportamiento en el cuerpo, que es proporcional a la intensidad del dolor. La sensación es registrada por receptores sensoriales en la piel y viaja al sistema nervioso central , donde se integra y se toma una decisión sobre cómo responder; si se decide que se debe dar una respuesta, se envía una señal a un músculo, que se comporta apropiadamente de acuerdo con el estímulo. [3] La circunvolución poscentral es la ubicación del área somatosensorial primaria , la principal área sensorial receptiva para el sentido del tacto . [5]
Los receptores del dolor se conocen como nociceptores . Existen dos tipos principales de nociceptores , los nociceptores de fibra A y los nociceptores de fibra C. Los receptores de las fibras A están mielinizados y conducen corrientes rápidamente. Se utilizan principalmente para conducir tipos de dolor rápidos y agudos. Por el contrario, los receptores de las fibras C no están mielinizados y transmiten lentamente. Estos receptores conducen un dolor lento, ardiente y difuso. [6]
El umbral absoluto del tacto es la cantidad mínima de sensación necesaria para provocar una respuesta de los receptores del tacto. Esta cantidad de sensación tiene un valor definible y a menudo se considera la fuerza que se ejerce al dejar caer el ala de una abeja sobre la mejilla de una persona desde una distancia de un centímetro. Este valor cambiará según la parte del cuerpo que se toque. [7]
La visión brinda al cerebro la oportunidad de percibir y responder a los cambios que ocurren en el cuerpo. La información o estímulos en forma de luz ingresa a la retina , donde excita un tipo especial de neurona llamada célula fotorreceptora . Un potencial graduado local comienza en el fotorreceptor, donde excita la célula lo suficiente como para que el impulso pase a través de una serie de neuronas hasta el sistema nervioso central . A medida que la señal viaja desde los fotorreceptores a las neuronas más grandes, se deben crear potenciales de acción para que la señal tenga la fuerza suficiente para llegar al SNC. [4] Si el estímulo no garantiza una respuesta lo suficientemente fuerte, se dice que no alcanza el umbral absoluto y el cuerpo no reacciona. Sin embargo, si el estímulo es lo suficientemente fuerte como para crear un potencial de acción en las neuronas alejadas del fotorreceptor, el cuerpo integrará la información y reaccionará adecuadamente. La información visual se procesa en el lóbulo occipital del SNC, concretamente en la corteza visual primaria . [4]
El umbral absoluto para la visión es la cantidad mínima de sensación necesaria para provocar una respuesta de los fotorreceptores del ojo. Esta cantidad de sensación tiene un valor definible y a menudo se considera la cantidad de luz presente de alguien que sostiene una sola vela a 30 millas de distancia, si los ojos estuvieran acostumbrados a la oscuridad . [7]
El olfato permite al cuerpo reconocer moléculas químicas en el aire mediante la inhalación. Los órganos olfativos ubicados a ambos lados del tabique nasal están formados por epitelio olfativo y lámina propia . El epitelio olfatorio, que contiene células receptoras olfatorias, cubre la superficie inferior de la placa cribiforme , la porción superior de la placa perpendicular, la cornisa nasal superior. Sólo aproximadamente el dos por ciento de los compuestos inhalados en el aire llegan a los órganos olfativos como una pequeña muestra del aire que se inhala. Los receptores olfativos se extienden más allá de la superficie epitelial y proporcionan una base para muchos cilios que se encuentran en el moco circundante. Las proteínas fijadoras de olores interactúan con estos cilios estimulando los receptores. Los odorantes son generalmente pequeñas moléculas orgánicas. Una mayor solubilidad en agua y lípidos está directamente relacionada con olores más fuertes. La unión del olor a receptores acoplados a proteína G activa la adenilato ciclasa , que convierte el ATP en camp. El AMPc , a su vez, promueve la apertura de los canales de sodio dando como resultado un potencial localizado. [8]
El umbral absoluto del olfato es la cantidad mínima de sensación necesaria para provocar una respuesta de los receptores de la nariz. Esta cantidad de sensación tiene un valor definible y a menudo se considera una sola gota de perfume en una casa de seis habitaciones. Este valor cambiará según la sustancia que se huela. [7]
El gusto registra el sabor de los alimentos y otros materiales que pasan a través de la lengua y la boca. Las células gustativas se encuentran en la superficie de la lengua y en las porciones adyacentes de la faringe y la laringe . Las células gustativas se forman en las papilas gustativas , células epiteliales especializadas , y generalmente se renuevan cada diez días. De cada célula sobresalen microvellosidades, a veces llamadas pelos gustativos, a través del poro gustativo y hacia la cavidad bucal. Las sustancias químicas disueltas interactúan con estas células receptoras; diferentes sabores se unen a receptores específicos. Los receptores de sal y ácido son canales iónicos activados químicamente que despolarizan la célula. Los receptores dulces, amargos y umami se denominan gustducinas , receptores especializados acoplados a proteína G. Ambas divisiones de células receptoras liberan neurotransmisores a fibras aferentes provocando la activación del potencial de acción . [8]
El umbral absoluto del gusto es la cantidad mínima de sensación necesaria para provocar una respuesta de los receptores de la boca. Esta cantidad de sensación tiene un valor definible y a menudo se considera que es una sola gota de sulfato de quinina en 250 galones de agua. [7]
Los cambios de presión provocados por el sonido que llega al oído externo resuenan en la membrana timpánica , que se articula con los huesecillos auditivos o los huesos del oído medio. Estos pequeños huesos multiplican estas fluctuaciones de presión a medida que pasan la alteración a la cóclea, una estructura ósea en forma de espiral dentro del oído interno. Las células ciliadas del conducto coclear, específicamente el órgano de Corti , se desvían a medida que las ondas de líquido y el movimiento de la membrana viajan a través de las cámaras de la cóclea. Las neuronas sensoriales bipolares ubicadas en el centro de la cóclea monitorean la información de estas células receptoras y la transmiten al tronco del encéfalo a través de la rama coclear del VIII par craneal . La información sonora se procesa en el lóbulo temporal del SNC, concretamente en la corteza auditiva primaria . [8]
El umbral absoluto del sonido es la cantidad mínima de sensación necesaria para provocar una respuesta de los receptores de los oídos. Esta cantidad de sensación tiene un valor definible y a menudo se considera como el tictac de un reloj en un entorno que de otro modo sería silencioso a 20 pies de distancia. [7]
Los conductos semicirculares, que están conectados directamente a la cóclea , pueden interpretar y transmitir al cerebro información sobre el equilibrio mediante un método similar al utilizado para la audición. Las células ciliadas en estas partes de la oreja sobresalen kinocilias y estereocilias en un material gelatinoso que recubre los conductos de este canal. En partes de estos canales semicirculares, específicamente en las máculas, cristales de carbonato de calcio conocidos como estatoconias descansan sobre la superficie de este material gelatinoso. Al inclinar la cabeza o cuando el cuerpo sufre una aceleración lineal, estos cristales se mueven perturbando los cilios de las células ciliadas y, en consecuencia, afectando la liberación del neurotransmisor que será absorbido por los nervios sensoriales circundantes. En otras áreas del canal semicircular, específicamente la ampolla, una estructura conocida como cúpula, análoga al material gelatinoso de las máculas, distorsiona las células ciliadas de manera similar cuando el medio fluido que la rodea hace que la cúpula se mueva. La ampolla comunica al cerebro información sobre la rotación horizontal de la cabeza. Las neuronas de los ganglios vestibulares adyacentes monitorean las células ciliadas en estos conductos. Estas fibras sensoriales forman la rama vestibular del VIII par craneal . [8]
En general, la respuesta celular a estímulos se define como un cambio de estado o actividad de una célula en términos de movimiento, secreción, producción de enzimas o expresión genética. [9] Los receptores en las superficies celulares son componentes sensoriales que monitorean los estímulos y responden a los cambios en el entorno transmitiendo la señal a un centro de control para su posterior procesamiento y respuesta. Los estímulos siempre se convierten en señales eléctricas mediante transducción . Esta señal eléctrica, o potencial receptor , sigue una vía específica a través del sistema nervioso para iniciar una respuesta sistemática. Cada tipo de receptor está especializado para responder preferentemente a un solo tipo de energía de estímulo, llamado estímulo adecuado . Los receptores sensoriales tienen una gama bien definida de estímulos a los que responden, y cada uno está sintonizado con las necesidades particulares del organismo. Los estímulos se transmiten por todo el cuerpo mediante mecanotransducción o quimiotransducción, según la naturaleza del estímulo. [4]
En respuesta a un estímulo mecánico, se propone que los sensores celulares de fuerza sean moléculas de la matriz extracelular, citoesqueleto, proteínas transmembrana, proteínas en la interfaz membrana-fosfolípido, elementos de la matriz nuclear, cromatina y la bicapa lipídica. La respuesta puede ser doble: la matriz extracelular, por ejemplo, es conductora de fuerzas mecánicas, pero su estructura y composición también están influenciadas por las respuestas celulares a esas mismas fuerzas aplicadas o generadas endógenamente. [10] Los canales iónicos mecanosensibles se encuentran en muchos tipos de células y se ha demostrado que la permeabilidad de estos canales a los cationes se ve afectada por los receptores de estiramiento y los estímulos mecánicos. [11] Esta permeabilidad de los canales iónicos es la base para la conversión del estímulo mecánico en una señal eléctrica.
Los estímulos químicos, como los olores, son recibidos por receptores celulares que a menudo están acoplados a canales iónicos responsables de la quimiotransducción. Tal es el caso de las células olfativas . [12] La despolarización en estas células resulta de la apertura de canales catiónicos no selectivos tras la unión del olor al receptor específico. Los receptores acoplados a la proteína G en la membrana plasmática de estas células pueden iniciar vías de segundos mensajeros que provocan la apertura de los canales catiónicos.
En respuesta a los estímulos, el receptor sensorial inicia la transducción sensorial creando potenciales graduados o potenciales de acción en la misma célula o en una adyacente. La sensibilidad a los estímulos se obtiene mediante amplificación química a través de vías de segundos mensajeros en las que cascadas enzimáticas producen una gran cantidad de productos intermedios, aumentando el efecto de una molécula receptora. [4]
Aunque los receptores y estímulos son variados, la mayoría de los estímulos extrínsecos generan primero potenciales graduados localizados en las neuronas asociadas con el órgano o tejido sensorial específico. [8] En el sistema nervioso , los estímulos internos y externos pueden provocar dos categorías diferentes de respuestas: una respuesta excitatoria, normalmente en forma de potencial de acción , y una respuesta inhibidora. [13] Cuando una neurona es estimulada por un impulso excitador, las dendritas neuronales se unen a neurotransmisores que hacen que la célula se vuelva permeable a un tipo específico de ion; el tipo de neurotransmisor determina a qué ion el neurotransmisor se volverá permeable. En los potenciales postsinápticos excitadores se genera una respuesta excitatoria. Esto es causado por un neurotransmisor excitador, normalmente glutamato, que se une a las dendritas de una neurona, lo que provoca una entrada de iones de sodio a través de canales ubicados cerca del sitio de unión.
Este cambio en la permeabilidad de la membrana en las dendritas se conoce como potencial graduado local y hace que el voltaje de la membrana cambie de un potencial de reposo negativo a un voltaje más positivo, un proceso conocido como despolarización . La apertura de los canales de sodio permite que se abran los canales de sodio cercanos, lo que permite que el cambio en la permeabilidad se propague desde las dendritas al cuerpo celular . Si un potencial graduado es lo suficientemente fuerte, o si se producen varios potenciales graduados en una frecuencia lo suficientemente rápida, la despolarización puede extenderse a través del cuerpo celular hasta el montículo del axón . Desde el montículo del axón, se puede generar un potencial de acción que se propaga hacia abajo por el axón de la neurona , lo que hace que los canales de iones de sodio en el axón se abran a medida que viaja el impulso. Una vez que la señal comienza a viajar por el axón, el potencial de membrana ya ha superado el umbral , lo que significa que no se puede detener. Este fenómeno se conoce como respuesta de todo o nada. Los grupos de canales de sodio abiertos por el cambio en el potencial de membrana fortalecen la señal a medida que se aleja del montículo del axón, lo que le permite moverse a lo largo del axón. A medida que la despolarización llega al final del axón, o al terminal del axón , el extremo de la neurona se vuelve permeable a los iones de calcio, que ingresan a la célula a través de los canales de iones de calcio. El calcio provoca la liberación de neurotransmisores almacenados en vesículas sinápticas , que ingresan a la sinapsis entre dos neuronas conocidas como neuronas presinápticas y postsinápticas; Si la señal de la neurona presináptica es excitadora, provocará la liberación de un neurotransmisor excitador, provocando una respuesta similar en la neurona postsináptica. [4] Estas neuronas pueden comunicarse con miles de otros receptores y células diana a través de redes dendríticas extensas y complejas. La comunicación entre receptores de esta manera permite la discriminación y la interpretación más explícita de los estímulos externos. Efectivamente, estos potenciales graduados localizados desencadenan potenciales de acción que se comunican, en su frecuencia, a lo largo de los axones nerviosos que finalmente llegan a cortezas específicas del cerebro. En estas partes del cerebro, también altamente especializadas, estas señales se coordinan con otras para posiblemente desencadenar una nueva respuesta. [8]
Si una señal de la neurona presináptica es inhibidora, los neurotransmisores inhibidores, normalmente se liberará GABA en la sinapsis. [4] Este neurotransmisor provoca un potencial postsináptico inhibidor en la neurona postsináptica. Esta respuesta hará que la neurona postsináptica se vuelva permeable a los iones cloruro, haciendo que el potencial de membrana de la célula sea negativo; un potencial de membrana negativo hace que sea más difícil para la célula disparar un potencial de acción e impide que cualquier señal pase a través de la neurona. Dependiendo del tipo de estímulo, una neurona puede ser excitadora o inhibidora. [14]
Los nervios del sistema nervioso periférico se extienden a varias partes del cuerpo, incluidas las fibras musculares . Una fibra muscular y la neurona motora a la que está conectada. [15] El lugar en el que la neurona motora se une a la fibra muscular se conoce como unión neuromuscular . Cuando los músculos reciben información de estímulos internos o externos, las fibras musculares son estimuladas por su respectiva neurona motora. Los impulsos pasan desde el sistema nervioso central hacia las neuronas hasta que llegan a la neurona motora, que libera el neurotransmisor acetilcolina (ACh) en la unión neuromuscular. La ACh se une a los receptores nicotínicos de acetilcolina en la superficie de la célula muscular y abre canales iónicos, lo que permite que los iones de sodio fluyan hacia el interior de la célula y los iones de potasio hacia afuera; este movimiento iónico provoca una despolarización, que permite la liberación de iones calcio dentro de la célula. Los iones de calcio se unen a las proteínas dentro de la célula muscular para permitir la contracción muscular; la consecuencia última de un estímulo. [4]
El sistema endocrino se ve afectado en gran medida por muchos estímulos internos y externos. Un estímulo interno que provoca la liberación de hormonas es la presión arterial . La hipotensión , o presión arterial baja, es una gran fuerza impulsora para la liberación de vasopresina , una hormona que provoca la retención de agua en los riñones. Este proceso también aumenta la sed de un individuo. Por retención de líquidos o por el consumo de líquidos, si la presión arterial de un individuo vuelve a la normalidad, la liberación de vasopresina se ralentiza y los riñones retienen menos líquido. La hipovolemia , o niveles bajos de líquidos en el cuerpo, también pueden actuar como estímulo para provocar esta respuesta. [dieciséis]
La epinefrina , también conocida como adrenalina, también se usa comúnmente para responder a cambios tanto internos como externos. Una causa común de la liberación de esta hormona es la respuesta de lucha o huida . Cuando el cuerpo se encuentra con un estímulo externo que es potencialmente peligroso, las glándulas suprarrenales liberan epinefrina . La epinefrina provoca cambios fisiológicos en el cuerpo, como constricción de los vasos sanguíneos, dilatación de las pupilas, aumento de la frecuencia cardíaca y respiratoria y el metabolismo de la glucosa. Todas estas respuestas a un estímulo único ayudan a proteger al individuo, ya sea que se tome la decisión de quedarse y luchar o huir y evitar el peligro. [17] [18]
El sistema digestivo puede responder a estímulos externos, como la vista o el olor de los alimentos, y provocar cambios fisiológicos antes de que los alimentos entren en el cuerpo. Este reflejo se conoce como fase cefálica de la digestión . La vista y el olfato de los alimentos son estímulos lo suficientemente fuertes como para provocar salivación, secreción de enzimas gástricas y pancreáticas y secreción endocrina en preparación para los nutrientes entrantes; Al iniciar el proceso digestivo antes de que los alimentos lleguen al estómago, el cuerpo puede metabolizar los alimentos de manera más efectiva y eficiente en los nutrientes necesarios. [19] Una vez que la comida llega a la boca, el sabor y la información de los receptores en la boca contribuyen a la respuesta digestiva. Los quimiorreceptores y mecanorreceptores , activados al masticar y tragar, aumentan aún más la liberación de enzimas en el estómago y el intestino. [20]
El sistema digestivo también es capaz de responder a estímulos internos. El tracto digestivo o sistema nervioso entérico por sí solo contiene millones de neuronas. Estas neuronas actúan como receptores sensoriales que pueden detectar cambios en el tracto digestivo, como la entrada de alimentos al intestino delgado. Dependiendo de lo que detecten estos receptores sensoriales, se pueden secretar ciertas enzimas y jugos digestivos del páncreas y el hígado para ayudar en el metabolismo y la descomposición de los alimentos. [4]
Las mediciones intracelulares del potencial eléctrico a través de la membrana se pueden obtener mediante registro con microelectrodos. Las técnicas de abrazadera de parche permiten la manipulación de la concentración iónica o de lípidos intracelular o extracelular sin dejar de registrar el potencial. De esta manera, se puede evaluar el efecto de diversas condiciones sobre el umbral y la propagación. [4]
La tomografía por emisión de positrones (PET) y la resonancia magnética (MRI) permiten la visualización no invasiva de regiones activadas del cerebro mientras el sujeto de prueba está expuesto a diferentes estímulos. La actividad se controla en relación con el flujo sanguíneo a una región particular del cerebro. [4]
El tiempo de retirada de las extremidades posteriores es otro método. Sorín Barac et al. en un artículo reciente publicado en el Journal of Reconstructive Microsurgery monitorearon la respuesta de ratas de prueba a estímulos de dolor induciendo un estímulo de calor externo agudo y midiendo los tiempos de retirada de las extremidades traseras (HLWT). [21]