La electrofisiología es el estudio de las propiedades eléctricas y la actividad interna de los sistemas biológicos, en particular de las células excitables como las neuronas y las células musculares. Cubre la medición, la grabación y el análisis de las señales eléctricas que generan estas células para proporcionar —en última instancia— información sobre su función y comunicación.
En esta ocasión, analizamos en profundidad la electrofisiología, como su historia, su mañana y cómo es empleada en técnicas experimentales de todos los campos.
Historia de la electrofisiología
El campo de la electrofisiología posee una rica historia que se remonta a los siglos XVIII y XIX. Los primeros casos estuvieron marcados por descubrimientos importantes a nivel de la comprensión de las propiedades eléctricas de los organismos vivos.
Podría decirse que uno de los experimentos más innovadores fue el que llevó a cabo el médico italiano Luigi Galvani a finales del siglo XVIII. A través de su experimento, Galvani observó que los músculos de la rana se contraían al entrar en contacto con un instrumento metálico mientras tocaban otro objeto metálico.2
Él interpretó esta evidencia como la «electricidad animal», lo que contribuyó a la comprensión general de los fenómenos bioeléctricos. Los primeros ejemplos de la electrofisiología, como el experimento de Galvani, sentaron las bases de la investigación moderna en este campo, lo que condujo a una comprensión más profunda de las propiedades eléctricas de los organismos vivos y cómo investigarlas.
A medida que se entraba en el siglo XIX, los científicos dependían en gran medida de las grabaciones de campo, ya que una sola célula era sumamente difícil de localizar. Con la incorporación de un microscopio, los científicos pudieron localizar la célula y, gracias a los avances de diseño óptico, como el contraste de interferencia diferencial infrarroja (IR-DIC), los investigadores pudieron visualizar de forma más profunda el tejido vivo.
Cuando esta configuración microscópica fue combinada con una cámara de alta velocidad, se dio rienda suelta a la observación instantánea de la dinámica celular usando métodos como el procesamiento de imágenes de calcio. Ahora, diversas soluciones desde los microscopios verticales de platina fija para la electrofisiología hasta soluciones más avanzadas de procesamiento de imágenes, como el escaneo láser confocal y los microscopios multifotónicos, están revolucionando el campo de la electrofisiología para llevar adelante la investigación.
Corte coronal de un cerebro de ratón de línea H en cian; DAPI (núcleos celulares) en verde; YFP (neurona) en amarillo; astrocitos Cy3 en magenta; AlexaFluor 750 (microtúbulo). Se adquirió un total de 77 posiciones XYZ a partir de cuatro canales (11 × 7) con un escáner resonante de 1K en 16 minutos para crear la imagen mosaico, que se precisaba habitualmente dos horas con un escáner galvanométrico. Cortesía por parte de Takako Kogure y Atsushi Miyawaki, Laboratorio de Dinámica de Funciones Celulares [Laboratory for Cell Function Dynamics], RIKEN CBS.
¿Para qué se usa la electrofisiología?
En el panorama actual de la investigación, la electrofisiología puede aplicarse en campos comunes, como la cardiología, la neurociencia y muchos otros. En cardiología, el uso más común de la electrofisiología es en el electrocardiograma (ECG).
Un ECG es un dispositivo de diagnóstico electrofisiológico que mide y registra la actividad eléctrica del corazón. Los electrodos colocados sobre la piel detectan las señales eléctricas generadas por las células cardíacas. El ECG proporciona información sumamente importante sobre el ritmo, la frecuencia y la función eléctrica general del corazón, lo que lo convierte en una herramienta esencial en el diagnóstico y tratamiento de enfermedades cardiovasculares.
En el contexto de la neurociencia, la electrofisiología sirve a menudo para estudiar las propiedades eléctricas de las neuronas, como la forma en que se generan y transmiten señales eléctricas.
La electrofisiología de fijación en parche de membrana o fijación de voltaje en modo de parche (Patch Clamp) se presenta a través de dos enfoques: intracelular y extracelular. La electrofisiología intracelular cubre la medición del potencial eléctrico a través de la membrana de una sola célula. A través de esta medición, se obtiene información detallada sobre el potencial de la membrana celular y sobre cualquier cambio que pueda ocurrir durante las actividades celulares, como los potenciales de acción.
El potencial de membrana es una propiedad intrínseca de todas las células resultante del exceso de carga negativa o positiva a partir de ambos lados de la membrana celular.1 Un potencial de acción es una despolarización y repolarización eléctrica breve —pero a la vez importante— de la membrana plasmática neuronal causada por el intercambio de iones cargados positivamente.1
La grabación de la fijación de voltaje en modo de parche se usa ampliamente para estudiar la actividad eléctrica de células individuales, en particular aquella de las neuronas. Requiere la colocación de un electrodo de micropipeta de vidrio contra la membrana celular para formar un sello hermético; esto permitirá medir los cambios de potencial de la membrana con alta precisión. La fijación de voltaje en modo de parche puede llevarse a cabo en configuraciones de célula completa, célula adherida, desde el interior hacia afuera (adentro-afuera) o desde el exterior hacia afuera (afuera-afuera): cada una adecuada para un propósito experimental diferente.
Configuraciones de grabación con fijación de voltaje en modo parche (A) Celda adherida: Con ella, se puede medir la corriente de un solo canal. (B) Celda completa: Con ella, se puede medir la corriente de una celda completa. (C) Adentro-Afuera: Con ella, se puede medir la corriente a través de un pequeño parche de voltaje cuyo lado citosólico está expuesto hacia el exterior (afuera). (D) Afuera-afuera: Con ella, se puede medir la corriente a través de un pequeño parche cuyo lado extracelular mira hacia el exterior (afuera). Fuente de la imagen: Ahmadi, Shirin et al. 2023 (Fronteras).3
La grabación de la fijación de voltaje en modo de parche es un método que ayuda a medir y controlar el potencial de la membrana de una célula y al mismo tiempo medir la corriente iónica que fluye a través de ella.2 Esta técnica permite a los investigadores estudiar las propiedades de los canales y receptores iónicos para aprender al final más sobre el mecanismo que provoca un potencial de acción.
La grabación de fijación de voltaje en modo de parche implica inyectar corriente en una célula mientras se miden los cambios en el potencial de la membrana. Esta técnica sirve para estudiar las propiedades eléctricas intrínsecas de las neuronas, como el potencial de membrana en reposo y los patrones de activación del potencial de acción.
Por otra parte, la electrofisiología extracelular implica medir la actividad eléctrica de múltiples células o a través de un área más grande. Este enfoque se utiliza comúnmente para estudiar la actividad general y la interacción entre las redes neuronales. Las múltiples matrices de microelectrodos, o MEA, permiten la grabación simultánea desde múltiples sitios, lo que proporciona información sobre la actividad a nivel de red.
En resumen, la diferencia entre electrofisiología intracelular y extracelular radica en la ubicación del electrodo de grabación en relación con la membrana celular. Las grabaciones intracelulares proporcionan información sobre las propiedades eléctricas de las células individuales, mientras que los registros extracelulares capturan información de la actividad colectiva de un grupo de células. Ambos enfoques son fundamentales para comprender la función de los sistemas biológicos.
La electrofisiología del futuro
El futuro de la electrofisiología se vislumbra con posibilidades interesantes que van siendo impulsadas por los continuos avances tecnológicos y metodológicos. Ya se experimenta la necesidad de avances en cuanto a análisis de datos y modelado computacional debido la complejidad creciente a nivel de los conjuntos de datos electrofisiológicos. Las herramientas de aprendizaje automático probablemente desempeñarán un papel fundamental a la hora de extraer información significativa a partir de grandes conjuntos de datos. También, cabe señalar que el desarrollo de dispositivos miniaturizados e inalámbricos inició y continuará permitiendo un control mínimamente invasivo de la actividad eléctrica del cuerpo.
La optogenética es un ejemplo de la tecnología microscópica y óptica inminente para controlar la actividad de células específicas —normalmente neuronas— con luz. El método implica la modificación genética de neuronas para introducir canales de proteínas sensibles a la luz. Al iluminar una región definida de la célula, tras su expresión, puede cambiarse la concentración de iones localmente y los efectos pueden observarse en tiempo real bajo un microscopio.1
Este nivel de conocimiento y visibilidad de la actividad celular abre oportunidades para estudiar circuitos neuronales, funciones cerebrales y trastornos neurológicos, así como el desarrollo de intervenciones terapéuticas.4 En pocas palabras, el futuro de la electrofisiología es sumamente prometedor, ya que nos permitirá adquirir progresivamente un conocimiento sobre los sistemas biológicos, así como diagnosticar y tratar enfermedades.
Ejemplo de un mapa de reacción de estimulación 3D para medir la respuesta electrofisiológica. Para lograr alcanzar una estimulación de luz láser extremadamente dirigida, el campo de observación se divide en una cuadrícula y el láser ilumina cada área en una secuencia pseudoaleatoria que evita la estimulación secuencial de las áreas adyacentes. Se traza un mapa de reacción ante estimulación basado en una grabación de fijación de voltaje en modo de parche o en la intensidad del procesamiento de imágenes. La integración de un portaobjetivos piezocompuesto opcional extiende el mapa de reacción a un modo 3D, con una estimulación ofrecida a través de las diferentes profundidades del plano de procesamiento de imágenes. Datos de imagen por cortesía del Centro Haruo Kasai de Biología de Enfermedades y Medicina Integrativa, Facultad de Medicina de la Universidad de Tokio. Captura ejecutada con un microscopio de escaneo láser FLUOVIEW.
Conclusiones clave acerca de la electrofisiología
En definitiva, la electrofisiología se encuentra a la vanguardia de cómo entendemos las complejidades de los organismos vivos, en particular dentro de los ámbitos neurocientífico y cardiológico. Al sacar a la luz los misterios de la actividad eléctrica celular, los investigadores pueden descubrir información sobre los mecanismos fundamentales detrás de la comunicación neuronal, la contracción de los músculos y muchos otros procesos fisiológicos.
Desde los primeros experimentos liderados por científicos pioneros, como Galvani, hasta las tecnologías modernas y de vanguardia de hoy, el campo de la electrofisiología ha experimentado una innovación notable impulsada por la colaboración y la búsqueda del conocimiento. A través del estudio continuo, podemos desbloquear conocimientos aún más profundos sobre la actividad eléctrica que fortalece el cuerpo humano.
Referencias
- Hardin, Jeff et al. Becker’s World of the Cell, 9th Global Edition. Pearson, 2016.
- Molleman, Areles. Patch Clamping: An Introductory Guide to Patch Clamp Electrophysiology. John Wiley Sons, 2008.
- Ahmadi, Shirin et al. «From Squid Giant Axon to Automated Patch-Clamp: Electrophysiology in Venom and Antivenom Research». Frontiers, 2023.
- Häusser, Michael. «Optogenetics - The Might of Light». New England Journal of Medicine, 2021.
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