Los ritmos circadianos se determinan por determinadas señales ambientales para distinguir el momento del día; las zeitgebers, señal ambiental que se recoge para identificar el momento del día en el que estamos. Aparecen de forma aproximada con períodos de 24 horas.
La vigilia, en este caso el estado en el que se está despierto, conlleva aumento del estado de alerta; que va disminuyendo hasta el final del día. Además de las señales de luz que recibimos a través de la vista, existen otras variables que influyen en los ritmos cerebrales, como la temperatura corporal o la secreción de hormonas.
- Determinantes de los ritmos circadianos
+ Núcleo supraquiasmático
Cabe destacar la existencia de una línea de hámster con una mutación que provocaba diferencias en los ritmos circadianos; a esos hámsteres les sustituyeron las células de su núcleo supraquiasmático por las de otro núcleo supraquiasmático normal; y estos animales recuperaron los ritmos normales. Esto estaría basado por tanto en un mecanismo autónomo celular.
Ante la pregunta de si los ritmos circadianos tienen un ritmo intrínseco, para demostrar si esas células son las que verdaderamente determinan estos ciclos se cultivaron para observar que efectivamente desarrollaban ciclos circadianos (ciclos que de valle a valle tienen 24 horas con pico a las 12 horas). Estas neuronas no tienen por qué recibir luz para desarrollar el ciclo.
Esto determina que probablemente se regulen mediante los niveles de expresión génica de un gen concreto implicado en el proceso. Al poner TTX para bloquear los PA de las neuronas, los integrantes de cultivo dejaban de estar en fase por no poder comunicarse, pero igualmente las células individuales desarrollaban el ciclo ondulatorio.
Hablamos por tanto de genes conocidos como genes reloj. Se descubrió el gen llamado clock,el cual eliminaba los ciclos circadianos locomotores. Existe por tanto un gen que se expresa y se transcribe, lo que da lugar a una proteína que tendrá la capacidad de inhibir la transcripción de genes, de manera que el concepto de este gen es que es un oscilador molecular.
La proteína detiene la expresión del gen, pero al acabar su vida media se degrada. Cuando la proteína está unida el RNA empieza a bajar y cuando la proteína se degrade y separe de la región reguladora empezará de nuevo a aumentar el RNA.
Es un proceso de marcapasos ha sido conservado a la luz de la evolución; y tenemos en este punto que los “inputs” de diferentes sistemas, por ejemplo la retina, donde pueden llegar terminales para hacer contactos sinápticos con las neuronas. La lectura del ciclo luz-oscuridad por tanto lo que hace es sincronizar los ciclos de todas las células.
El primer nivel sería la construcción del oscilador molecular, el segundo es como se comunica este ciclo a otros tipos de genes y el tercero la entrada retiniana para sincronizar con el ciclo luminoso.
Un animal ciego, sin fotorreceptores, tendría también ritmos circadianos sincronizados con ritmos de luz y oscuridad; esto es porque hay unos tipos de células ganglionares que expresan melanopsina (pigmento). Estas células ganglionares proyectan de la retina al hipotálamo y al igual que los fotorreceptores también son detectores de luz.
+ Ritmos cerebrales
Los ritmos cerebrales también pueden observarse en el electroencefalograma; se detecta porque se sitúan electrodos para detectar en la capa más periférica de la corteza las entradas sinápticas de las múltiples dendritas.
La mayoría de las entradas sinápticas son excitadoras, de forma que cuando se libera neurotransmisor entra Na+ dentro de la célula y en esa zona de entrada se crea una pequeña zona negativa extracelular (se queda con menos carga positiva de forma transitoria). El PA postsináptico excitador acabaría con una repolarización para que el potencial de membrana volviera al inicio (sale K+ y en la zona de salida tendríamos cambios de carga de nuevo).
Lo interesante es que se puede detectar cuando se produce excitación de muchas dendritas. Lo importante no es que haya muchas dendritas excitándose, sino que esa excitación en el tiempo sea sincrónica para que las células vecinas no cancelen la señal de voltaje de la población neuronal.
El proceso clave es la sincronía; si las células no están sincronizadas el potencial es de baja amplitud y sí están sincronizadas las señales aparecen periódicamente y son de mayor amplitud.
+ Magnetoencefalografía
El electroencefalograma es muy barato, pero también encontramos otra técnica para medir actividad eléctrica del cerebro con una gran resolución espacial, la magnetoencefalografía.
Aporta información mapeada de los núcleos que se están activando y es un proceso muy costoso porque son señales extremadamente pequeñas (el campo magnético que se produce en una neurona puede ser muy pequeño y hace falta un aislamiento muy alto para poder ver la señal). En el encefalograma se ven una serie de ritmos, más marcados cuando estamos en situación de sueño.
- Oscilador neuronal
+ Oscilador neuronal de dos neuronas
Las interneuronas son importantes para formar un circuito oscilatorio; tenemos una neurona excitadora que está siendo excitada por otra neurona que está permanentemente disparando potenciales de acción. Cuando se excita la excitadora se disparan potenciales de acción, pero esta neurona excitadora está liberando glutamato sobre una interneurona, que a su vez inhibe a la neurona excitadora.
De una señal que inicialmente era regular se obtiene un patrón de disparo periódico. Se produce excitación, que excita a la inhibidora; si la inhibidora se excita se silencia a la otra. Si se silencia la inhibidora la primera se vuelve a excitar porque recibe la respuesta mantenida.
Lo importante es que se transforma una señal continua en una cíclica; oscilante. Eso puede ocurrir también dentro de una misma neurona.
+ Oscilador neuronal de una sola neurona
El nódulo sinusal es un conjunto de canales iónicos activándose e inhibiéndose unos y otros para formar el potencial marcapasos del corazón. El mismo concepto se encuentra en neuronas, por ejemplo, en las neuronas talámicas.
Tenemos una neurona con canales que se activan con la hiperpolarización; cuando se inyecta la corriente negativa las células se hiperpolarizan y hay canales que se activan y dan lugar a que la célula tenga un disparo fásico y cíclico.
- El sueño
El sueño es un estado cerebral fácilmente reversible que se caracteriza por una disminución de la capacidad de respuesta e interacción con el medio circundante. Dentro del sueño hay diferentes etapas y situaciones. existen dos grandes fases del sueño: el sueño rem y el sueño no rem (REM= rapid eye movement).
Desde el punto de vista del electroencefalograma, cuando uno está despierto las señales que hay son de bajo voltaje y son rápidas y éstas son las características de una de las fases del sueño, la fase rem (respuesta similar a cuando se está despierto). El sueño rem es la parte del sueño cuando normalmente se sueña.
Existe otra parte del sueño, llamado no rem, en el que hay distintas fases con diferente profundidad; siendo la más profunda la fase IV. Los ritmos delta de la fase IV están muy sincronizados y la señal es de mucha amplitud, aunque con menor frecuencia. Hay sensaciones vívidas, aunque se generan internamente. En el sueño no rem, en general, no hay ningún tipo de conciencia.
En cuanto al movimiento, podemos decir que cuando estamos despiertos es continuo y voluntario. En el sueño no rem más profundo puede haber movimientos ocasionales y voluntarios. En el sueño rem, sin embargo, activamente hay una parálisis muscular y el movimiento ocular es lo más descriptivo.
+ Fases y funciones fisiológicas del sueño
El establecimiento de las diferentes fases es gradual. El sueño rem cada vez va ocupando más tiempo en el ciclo de las fases, por lo tanto, el movimiento rápido de los ojos es más largo conforme más nos aproximamos a la mañana. La frecuencia cardiaca aumenta con el sueño rem, al igual que la frecuencia respiratoria. Las reacciones de los genitales también aumentan en el sueño rem.
En cuanto a la función fisiológica de un sueño, podemos destacar que hay un cierto desconocimiento, aunque se conoce su función reparadora sobre el cerebro (que no sobre otros sistemas como el muscular).
Un estudio publicado en la revista Science en el año 2014 sugiere que, durante el sueño, se favorece la limpieza de metabolitos, ya que el intercambio de fluidos entre el líquido intersticial y el líquido cefaloraquídeo aumenta.
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Artículo redactado por Pablo Rodríguez Ortíz, Graduado en Biología por la Universidad de Málaga.