17 abril 2010

Por qué dormimos


Los estudios del cerebro podrán revelar el porqué de un comportamiento tan  básico y tan mistificado
(Traducido por Lolimar Oropeza Jaspe - Estudiantes de Idiomas Modernos del IUTAV, Caracas)

Actividad silenciosa.  
En el sueño el cuerpo puede estar sereno pero el cerebro está activo. Los científicos esperan aprender sobre el sueño escuchando la actividad del cerebro al grabar ondas cerebrales peculiares del sueño y sus diferentes etapas. Las líneas ondulantes a la izquierda son grabadas por electrodos conectados al cuero cabelludo de una persona mientras duerme para luego ser leídos por un electroencefalograma o EEG. Laurent/Lae/American Hospital of Paris/Photo Researchers, Inc.
En un laboratorio del Instituto Tecnológico de Massachussets, un pequeño ratón negro llamado Buddy duerme solo en una caja. Un cono semejante a un disco satelital está colocado sobre su cabeza. Pero el disco no recibe señales del espacio exterior. En su lugar envía transmisiones desde el interior del cerebro de Buddy hasta un banco de computadoras al otro lado del cuarto.
Científicos como Jennie Young espían estas transmisiones, básicamente leen la mente de Buddy o al menos la parte de su mente ocupada con un reciente viaje a lo largo de una pista de plexiglas esparcida con lluvia de chocolate. Young y sus colegas del laboratorio Susumu Tonewaga están monitoreando células nerviosas en el hipocampo, uno de los centros del aprendizaje y de la memoria, más importantes del cerebro. Algunas de estas células disparan ráfagas de energía eléctrica a medida que Buddy se mueve a través de la pista. Mientras él duerme en su caja negra esas mismas células se activan nuevamente, reproduciendo el movimiento a lo largo de la pista en forma de avance rápido o reversa rápida.
Al grabar la actividad celular del cerebro somnoliento de Buddy los científicos esperan recabar pistas para uno de los misterios más grandes de la biología: la razón por la cual dormimos. Aunque el sueño está entre los comportamientos más básicos, su función ha resultado escurridiza. Los científicos afirman que la tarea del sueño es almacenar energía o generar sustancias necesarias durante la vigilia o para destruir conexiones innecesarias entre las neuronas. Algunos enfatizan el rol especial del sueño en el aprendizaje y la memoria, otros sugieren que el sueño regula las emociones o que fortalece el sistema inmunológico. Algunos científicos piensan que el sueño es simplemente algo que surge naturalmente al tener una red de neuronas interconectadas.
Mehdi Tafti, una genetista de la Universidad de Lausanne en Suiza comenta que “existen tantas teorías de las funciones del sueño como investigadores del tema”.
Robert Stickgold de la Escuela Médica de Harvard en Boston afirma que ninguno de los modelos del porqué el hombre (así como también otros animales) duermen puede explicar toda su complejidad. Él compara a los postulantes de las diferentes teorías del sueño con hombres ciegos describiendo a un elefante; es una culebra, o un árbol, o una pared, dependiendo de qué parte del elefante toquen. De igual manera, la respuesta a la función del sueño parece depender del enfoque del investigador. Y cada idea propuesta contiene inconsistencias que evitan que los demás investigadores del sueño la acepten. 


Paul Shaw de la Universidad de Washington en St. Louis sostiene que “no hay teoría que posea la suficiente evidencia como para ser ampliamente aceptada”.
Sin embargo, muchas teorías del sueño han sido ampliamente comprobadas. Al usar grabaciones de las ondas cerebrales, análisis genéticos, juegos de palabras, juegos de videos, y otros métodos, los investigadores han revelado muchas de las piezas del rompecabezas del sueño, aun cuando no encajen todas.

(Izquierda) Termograma de un hombre dormido. En la etapa MOR, “el cerebro está encendido, se está cocinando, pero el cuerpo está frío como un pez”. – Michael Perlis Arthur Tucker /Science Photo Library

Dormido y encendido

El no saber porqué los humanos pasan una tercera parte de sus vidas inconscientes no ha evitado que los científicos describan cinco diferentes etapas del sueño al grabar las ondas cerebrales. La fase Nº 1 es superficial y marca la transición entre la vigilia y el sueño. La fase 2 es la más larga, presenta dos formas de ondas cerebrales conocidas como Husos del sueño y Complejos K (SN Online: 21/5/09). Las fases 3 y 4 son las más profundas, con frecuencia se refieren conjuntamente al sueño de onda lenta. La quinta es la fase MOR (movimiento ocular rápido; en inglés, REM: Rapid Eye Movement), la etapa acompañada por un rápido movimiento espasmódico de los ojos.
MOR es la etapa más asociada con el sueño, pero muchos de los sueños también ocurren en las otras etapas.  Estas se repiten en ciclos de aproximadamente 90 minutos durante la noche, con más sueño de ondas lentas al principio y más MOR durante la mañana.
En las primeras cuatro etapas del sueño, el ritmo cardiaco, la temperatura corporal y la actividad cerebral disminuyen, comprobando la teoría de que el sueño sirve para almacenar energía. Pero luego sigue la etapa MOR. Durante esta etapa el cuerpo se paraliza evitando que las personas representen sus sueños. Según Michael Perlis de la Universidad de Pensilvania en Filadelfia aunque el cuerpo está aún como una piedra, el instinto de supervivencia está sobrexcitado. La actividad cerebral es más alta, algunas veces mucho más alta que durante la vigilia. “El cerebro está encendido” durante la etapa MOR, dice Perlis “El cerebro se está cocinando pero el cuerpo está frío como un pez”
Mientras que el cerebro consume el 20 por ciento de las calorías usadas por el cuerpo, la etapa MOR puede consumir muchas de las calorías guardadas durante otras etapas del sueño.


Ondas de sueño. Las personas varían entre dos tipos de sueño cada noche, el MOR (movimiento ocular rápido) y la etapa no-MOR la cual ocupa alrededor del 80 por ciento del sueño y consiste en etapas más profundas (abajo a la izquierda en el EEG). La mayor parte del sueño transcurre en la etapa dos la cual tiene dos ondas cerebrales particulares. Cerca del 20% de la noche transcurre en la fase MOR descargas con episodios de MOR incrementándose a lo largo de la noche. 




A pesar de que la mañana trae un vigor renovado muchas personas piensan que el sueño debe almacenar energía. Y dormir desde luego es restaurador. Un trabajo reciente sobre genética sugiere unas bases moleculares para esA recuperación.
Alan Pack un genetista de la Universidad de Pensilvania y sus colegas han mantenido despiertos a ratones durante horas después de su hora habitual de ir a dormir. La actividad de 2.000 a 3.000 genes es distinta en los ratones privados del sueño en comparación con los ratones que durmieron tranquilos.  Pack afirma que ninguno de los cambios son dramáticos, se trata tan solo de presionar un poco la actividad de los genes involucrados en la fabricación de grandes moléculas los cuales con frecuencia aumentan durante el sueño, Por ejemplo, los genes necesarios para fabricar el colesterol y el heme, una sustancia de los glóbulos rojos portadora de oxígeno. También los genes que ayudan a remodelar las conexiones neurales son renovados durante el sueño.
Según una nota publicada por Pack y sus colegas en un reporte en la revista Tendencias en medicina molecular del mes de febrero, estudios en ratones, ratas, moscas y gorriones coronados blancos han encontrado patrones similares de actividad genética.
El sueño y la vigilia son parte del ciclo metabólico del cerebro dice Pack. Desde esta perspectiva, el sueño es un momento de reabastecimiento y construcción de partes celulares. “Así que cuando llega la vigilia se poseen las piezas necesarias para crear las sinapsis, las uniones entre las neuronas a través de las cuales fluyen las señales”.
De las calorías a las conexiones
Para probar la hipótesis de que el sueño altera el metabolismo, Amita Sehgal y Susan Harbison de la Universidad de Pensilvania dejaron las luces encendidas en la noche durante toda una semana para algunas moscas, la luz privó a las moscas de aproximadamente dos horas de sueño. Los machos subsanaron la pérdida del sueño durmiendo al siguiente día más de lo usual. Muchas hembras en cambio, tan solo perdieron el sueño y no compensaron la diferencia. Los investigadores también perturbaron el sueño de las moscas a través de la estimulación mecánica, lo cual consistió en molestar al azar los tubos de ensayo de las moscas. Otras moscas fueron molestadas mientras estaban despiertas durante el día pero su sueño no fue perturbado.

 ¿Reanudación cerebral? Las proteínas (anaranjado) que ayudan a formar las conexiones entre las neuronas se construyen en el cerebro mientras una mosca está despierta (izquierda) pero son desviadas después de dormir (derecha) sugiriendo que el sueño recorta las conexiones neuronales, quizás asegurándose de que solo perduren los recuerdos más importantes del día. Cortesía de Chiara Cirelli. 


Los investigadores reportaron en la revista PLoS One en julio que sin importar si la estimulación mecánica fue aplicada durante el día o la noche ocasionó el descenso de las provisiones de glicógeno, e incrementó los triglicéridos. La luz no afectó las reservas de ninguna de las sustancias.
El estrés de ser molestado, más que la pérdida de sueño es probablemente lo que altera el metabolismo, al menos en estas moscas, dice Sehgal. El estudio representa un incremento tendencial en la ciencia del sueño –la idea de que el sueño ofrece algunas ventajas además de alterar el metabolismo y almacenar energía.
James Krueger, un investigador del sueño de la Universidad Estatal de Washington en Pullman afirma “Nos estamos apartando de ideas históricas de que el sueño almacena calorías. Así es. No hay duda. Pero no es probable que hay sido por eso que el sueño evolucionó”
De acuerdo con Krueger el sueño ahorra alrededor de 110 calorías –cerca del valor calórico de una galleta- cada noche. Eso no es suficiente para compensar la pérdida de alimentos, el apareamiento o cualquier otra actividad que un animal realiza para sobrevivir. Es una locura. No vale la pena. En su lugar sería mejor quedarse despierto evitando a los depredadores”
Krueger afirma que el sueño debería proporcionar algunos beneficios que pesen sobre las actividades durante la vigilia –tales como formar las conexiones entre las neuronas-. Además  sostiene en un ensayo en la revista Nature Reviews Neuroscience de diciembre de 2008 que el tiempo en reposo podría permitir que las neuronas fortalezcan o debiliten las conexiones con sus compañeras. De hecho Krueger sugiere que el sueño en sí mismo es un resultado inevitable al tener neuronas conectadas como una red. Las células nerviosas que trabajan mucho, electroquímicamente señalando los límites, con el tiempo necesitan descansar y recargarse. El descanso neuronal puede esparcirse a través del cerebro mientras las neuronas arrastran a sus compañeras junto con ellas al umbral del sueño.




Tu cerebro durante el sueño. El cerebro organiza el ciclo diario de vigilia-sueño al responder a pistas externas tales como la luz del sol y el propio ritmo del cuerpo. Niveles de mensajeros químicos, hormonas y proteínas aumentan y disminuyen en partes claves del cerebro para generar la vigilia y el sueño. Al rastrear la actividad cerebral durante el sueño, los científicos han revelado también regiones importantes para otras supuestas funciones del sueño, tales como el almacenamiento de la memoria y procesamiento de la información. Imagen por Charles Floyd.



Por supuesto, la reconstrucción neuronal también es importante para el aprendizaje y para la memoria –ambos procesos con frecuencia sugeridos como la razón de ser del sueño (SN: 28/04/2007, P.260) 


Rompiendo lazos
Pero incluso el papel del sueño en el aprendizaje y en la memoria revive mucha controversia. Por ejemplo, una teoría controversial sugiere que el sueño, especialmente la poderosa modalidad de onda lenta, debilita las sinapsis. Evita que el cerebro se cargue con conexiones innecesarias afirman los investigadores del sueño Giulio Tononi y Chiara Cirelli de la Universidad de Winsconsin –Madison. Su teoría conocida como homeostasis sináptica es una suerte de versión neuronal de supervivencia del más apto. A medida que un animal o persona aprenden cosas a lo largo del día las conexiones entre las neuronas se fortalecen. Todas las sinapsis se debilitan durante el sueño, así sólo las conexiones débiles más fortalecidas completamente y los lazos más fuertes entre las neuronas permanecen. Esta limpieza libera espacio y preserva los recursos para el aprendizaje del día siguiente, sostienen Cirelli y Tononi.
En febrero de 2008 el equipo reportó en la revista Nature Neuroscience que algunos experimentos parecen apoyar esta teoría. Mientras las ratas están despiertas construyen niveles de la proteína GluR1, la cual incrementa la fortaleza de las sinapsis.
Estudios en moscas muestran que dormir conduce a la pérdida de las sipnasis. Cirelli y el grupo de Tononi reportaron el 3 de abril en la revista Science que las proteínas que ayudan a determinar la fortaleza de las sinapsis se crean mientras las moscas están despiertas durante la privación del sueño. Los niveles de proteínas disminuyen a medida que las moscas entran en un sueño profundo.
Otro estudio en la misma edición de Science reportó que mientras las moscas duermen, también pierden las sinapsis que se forman durante las interacciones sociales. Los investigadores en el laboratorio Shaw de la Universidad de Washington descubrieron que cuando las moscas socializaron, se formaron conexiones sinápticas entre las neuronas. A las moscas a las cuales se les permitió dormir después de los encuentros sociales exhaustivos disminuyeron algunas de las conexiones, pero las moscas forzadas a permanecer despiertas mantuvieron las conexiones. Afirma Shaw que al disminuir el número de conexiones neuronales se evitaría que los circuitos del cerebro sean sobrecargados por toda la información emocionante acumulada de las interacciones socials.






Multitareas mientras duermes. Al parecer muchas cosas suceden detrás de los ojos cerrados: Estudios muestran que el sueño probablemente posee muchas funciones diferentes, incluyendo incrementando el aprendizaje y la memoria, regulando las emociones, estimulando la creatividad y reforzando el sistema inmunológico. .Fuentes varias






Por otro lado los experimentos con gatitos sugieren lo contrario. En gatos con un ojo cerrado, las conexiones entre el ojo cerrado y el centro visual del cerebro se debilitó mientras el gato estaba despierto, reportaron Marcos Frank de la Universidad de Pensilvania y sus colegas el 12 de febrero en la revista Neurona. El gato que tenía los ojos abiertos mostró mayores conexiones en el centro visual pero solo después de haberse dormido. Frank comenta que sus datos muestran que dormir fortalece las conexiones entre las neuronas en vez de debilitarlas.
Los estudios con Buddy y otros ratones, usando electrodos implantados en sus cerebros tendieron a respaldar los resultados con los gatos. Grabaciones de la actividad de las células cerebrales susceptibles a la ubicación de los ratones llamadas “nueronas de sitio”, muestran que el sueño le permite al cerebro reproducir eventos, fortaleciendo las conexiones entre las neuronas y preservando la memoria a largo plazo.
Cuando Young graba la activación de las neuronas de Buddy, crepita un altavoz  lo cual sonaría como estática a un radio escucha sin entrenamiento. Para el oído de Young la estática es el sonido de los recuerdos al ser creados. Cada vez que un electrodo detecta actividad eléctrica en una de las neuronas, traslada la actividad a los ruidos inteligibles para seguirles el rastro en la pantalla del computador.
Mientras Buddy está despierto y moviéndose en su caja, correteando en un laberinto o explorando nuevos objetos, las células en su cerebro se activan en un patrón rítmico. Mientras él duerme sus ondas cerebrales disminuyen. Pero pequeños y rápidos impulsos de actividad cerebral llamadas bucles, interrumpen las ondas lentas de sueño e impulsan la estática de fondo. Durante esos bucles, los cuales duran una fracción de un segundo las neuronas que indican el lugar se activan en el mismo orden que cuando el ratón estaba despierto y explorando.
Matthew Wilson del Instituto Tecnológico de Massachussets fue uno de los primeros en descubrir estos bucles. Durante el sueño de onda lenta reproducen los eventos del día, pero el tiempo está compactado, afirma que durante el sueño MOR las ratas y los ratones también reproducen los eventos pero en un tiempo real, pero no siempre en el mismo orden o de la misma forma que ocurrieron.
Investigadores de Caltech reportaron en la revista Neuron del 26 de febrero que en primer lugar, células en el hipocampo disparan un impulso de ondas bucles, luego cien milisegundos más tarde, células en el córtex prefrontal, comúnmente consideradas el fondo de los “centros administrativos” del cerebro toman el control. Tales impulsos de actividad podrían representar la transferencia de información desde el almacenamiento temporal de la memoria en el hipocampo hasta el almacenamiento a largo plazo en el córtex, afirma Wilson. En el sueño MOR, el tiempo de activación entre el hipocampo y el córtex no está estrechamente coordinado como en el sueño de onda corta.
Wilson y sus colegas mostraron en la revista Neurona del 27 de agosto que las ratas también reviven los recuerdos mientras están despiertas y que esa repetición puede ayudar a los animales a planificar su próximo movimiento.
Los científicos han especulado que esa repetición también es importante para formar la memoria a largo plazo. Investigadores del laboratorio de Tonegawa comprobaron esta teoría directamente: Bloquearon bucles al paralizar parte del hipocampo con toxina tetánica. Además de disminuir los bucles, los ratones durmieron con normalidad y pudieron recordar rutas que habían recorrido por corto tiempo. Pero los ratones fueron incapaces de formar la memoria a largo plazo, afirmó el equipo en la revista Neuron del 25 de junio. Cuando los investigadores revirtieron el efecto de la toxina, los bucles regresaron, junto con la capacidad de formar la memoria a largo plazo, señalando que reproducir y repasar recuerdos durante el sueño de onda lenta es un paso clave para formarlos.
A lo largo del Río Charles en Boston, investigadores de la Escuela Médica de Harvard tienen alguna evidencia de que reproducir puede ser también importante para los humanos. Stickgold y Erin Wamsley han reclutado voluntarios para participar en un video juego de laberintos. Después de jugar algunos voluntarios toman una siesta y otros permanecen despiertos mirando videos. Se despierta a los participantes a la primera señal de estar cercano al sueño MOR, y algunos aún pueden reportar sueños vívidos –algunos tangencialmente relacionados al juego tales como escuchar la música o explorar cuevas de murciélagos reminescentes del laberinto. Resultados preliminares indican que las personas que reportan sueños relacionados con el juego mejoran su desempeño cuando son puestos a prueba nuevamente. Los soñadores mejoran más que aquellas personas que permanecieron despiertas y pensaron sobre el juego o aquellas personas que durmieron, pero no recordaron haber soñado sobre el juego.
Wamsley afirma que “Para nosotros es una señal que algunas de las conexiones relacionadas con ese aprendizaje estén activas durante el sueño”
Stickgold sugiere que su importancia para la memoria es la única explicación planteada para el sueño que contiene una razón clara de porqué la conciencia debe ser apagada. El cerebro humano no tiene TiVo, con la capacidad para grabar algo mientras mira otra cosa. Las personas usan las mismas áreas del cerebro para captar el mundo y luego procesan lo que está sucediendo. Especula que para entender por completo la información acumulada a lo largo del día en algún punto el cerebro tiene que bloquear más entradas.
En el sueño de onda lenta, el hipocampo muestra al córtex películas caseras de los eventos del día. Durante el sueño MOR, se envía una orden para descansar al hipocampo, dejando el córtex para asociar con libertad diferentes piezas de información sin el paso detallado y orientado del hipocampo que diga “no, esto es lo que realmente ocurrió”. Esa libre asociación puede permitirle al cerebro asociar experiencias y hechos diferentes, logrando que sean más fáciles de recordar o impulsar nuevas soluciones a problemas que surgen durante el día.
Estudios sobre el aprendizaje y la memoria también sugieren que el sueño ayuda a extraer la esencia de los recuerdos, permitiendo que sean archivados en la dirección correcta. Cómo el cerebro logra esto es descrito en estudios en los cuales participantes “recordaban” que aprendieron la palabra hospital cuando de hecho la lista de palabras que memorizaron fue: doctor, enfermera, estetoscopio, cama y paciente pero no hospital. Tales asociaciones le dan a los recuerdos contexto y significado.
Stickgold señala “Lo que el cerebro deja en la mañana en tu memoria es menos preciso pero mas útil”
Los investigadores del sueño aún no saben cómo el cerebro decide cuáles recuerdos repasar, editar y guardar, y cuáles son basura, dice Matthew Walter de la Universidad de California, Berkeley. Sustancias químicas asociadas con la emoción pueden marcar los recuerdos como importantes o relevantes para guardar, o enviar una bandera roja al cerebro indicando que el recuerdo es problemático.  Con el tiempo a medida que el sueño extrae el centro informativo de los recuerdos, puede también remover la manta emocional alrededor de ellos, así una persona aprende la lección del recuerdo sin todo el drama emotivo. La fase MOR en particular “es como un grupo de terapia para los recuerdos”.
Walker conjetura que este proceso puede fracasar en desórdenes de estrés post traumáticos. Él presenta su caso del rol del sueño en procesar recuerdos emocionales en Los Anales de la Academia de Ciencias de Nueva York en Ciencia Cognitiva 2009. Remover la manta emocional de los recuerdos es probablemente posible solo durante el sueño cuando estímulos externos son desconectados.
Wilson está de acuerdo con que el sueño puede ser un tiempo desinhibido para que surjan nuevas soluciones. “El problema con el estado de vigilia es que está siendo influenciado por el mundo exterior, afirma. “Es forzado lo que experimentas actualmente. Durante el sueño puedes explorar. Yo pienso que es muy probable que durante el sueño tengas la flexibilidad de evaluar y resolver problemas de forma original”.
Un estudio publicado el 23 de junio en la revista Procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias sugiere que la fase MOR puede ser justo lo se necesita para que la creatividad fluya. Un grupo de investigadores dirigidos por la psicóloga Sara Mednick de la Universidad de California en San Diego mostró que las personas que tuvieron una siesta con sueño MOR se desempeñaron casi 40% mejor en un test de palabras donde se requería una solución más creativa que las personas quienes no tomaron la siesta o tuvieron solo siestas no-mor. La mejoría ocurrió solo cuando los participantes dibujaron información de un test de palabras que fue impartido más temprano durante el día para resolver los nuevos problemas y al parecer sin ninguna relación. La etapa MOR parecía ayudar a construir esas conexiones de otra manera ignoradas.
 “Las personas en el grupo MOR fueron capaces de usar información que ni siquiera ellos mismos sabían que tenían en sus cerebros”. Mednick comenta que aún no cree que todos los sueños signifiquen algo o que “soñar algo” resolverá el problema. Según ella algunos sueños significarán mucho y algunos otros se tratan solamente de cosas que no tienen significado”
A pesar de la evidencia del rol del sueño en el desempeño del cerebro, no todos los investigadores piensan que ese aspecto sea el fin de la historia del sueño.
Comenta Eve Van Cauter de la Universidad de Chicago que “La noción de que el sueño es para y por el cerebro –lo cual es una consigna en el campo-  es obsoleta. El sueño afecta todo el cuerpo y todo el cuerpo afecta al sueño”
Van Cauter señala que algunos estudios a corto plazo muestran que luego de la privación del sueño se presentan problemas cognitivos, pero los científicos no tienen idea de si esos problemas tienen relación con el deterioro de la memoria a largo plazo o los desórdenes degenerativos del cerebro.
De igual manera señala que cerca de 100 estudios relacionan la pérdida de sueño con las enfermedades cardiovasculares, “Pero ni siquiera tenemos 10 estudios sobre si dormir poco contribuye al deterioro cognitivo o a la locura” (Ver página 11).
Otros concuerdan que el sueño juega un papel importante al regular el sistema inmunológico. De hecho dormir puede haber evolucionado para mejorar la capacidad del sistema inmunológico de combatir los parásitos, asegura Patrick McNamara de la Universidad de Boston y sus colegas en la revista BMC Evolutionary Biology del 9 de enero
Especies de animales que pasan más tiempo durmiendo cada día tienden a tener conteos más altos de glóbulos blancos, reveló el análisis de una base de datos. Mientras más sueño promedio posee una especie, menos parásitos infectan a sus miembros, y los parásitos que infectan a las especies que más duermen no son tan predominantes en sus poblaciones como los parásitos que enferman a las especies que duermen menos.
Incluso si el propósito del sueño es combatir a los parásitos, recrear recuerdos o modificar el metabolismo permanece como un tema de discusión como los ciegos y sus imágenes diferentes del elefante. Pero quizás esa parábola sugiere una estrategia para el progreso.
“El único error que los hombres ciegos cometieron fue discutir unos con otros, dice Stickgold”. Si los investigadores del sueño están dispuestos a dar un paso hacia atrás, dar conferencias y aceptar que otros pueden tener razón, quizás un día el misterio del sueño se resolverá. “

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