Neurociencia: Un gusano ayuda a científicos a entender cómo el cerebro cambia entre el sueño y la vigilia

Compartir

por FELIPE TAPIA / CINV

Neurocientíficos austríacos estudian los mecanismos mediante los cuales el gusano C. elegans se duerme y despierta, dando luces de cómo el cerebro en su totalidad cambia entre ambos estados.

Hasta el día de hoy el sueño sigue siendo materia de múltiples estudios desde el punto de vista de la neurociencia, ya que nuestros conocimientos son aún incompletos en términos de los mecanismos que lo generan, regulan y de la función que este cumple. De todos modos, el dormir parece ser un fenómeno fundamental para el funcionamiento del sistema nervioso, ya que comportamientos similares al sueño de los mamíferos se han descrito en todo el reino animal.

Una de las incógnitas respecto al sueño es cómo este se inicia, para lo cual existen dos hipótesis en estilo huevo-gallina: 1) el cerebro está normalmente despierto y requiere una señal para dormirse o, 2) está normalmente dormido y requiere una señal para despertarse. La primera teoría es llamada “de arriba hacia abajo”, e implicaría la existencia de centros cerebrales que inducen el sueño y llevan al resto del cerebro al estado “dormido”. La segunda teoría es llamada “de abajo hacia arriba”, y señala que el dormir es una propiedad intrínseca de la red neuronal, a la cual el cerebro tiende, y es a su vez regulada por centros cerebrales superiores que llevan al cerebro al estado de vigilia.

El problema es que, ya que los estados de sueño y vigilia corresponden a estados cerebrales generalizados, para estudiarlos sería necesario poder ver el funcionamiento de todas las neuronas del cerebro al mismo tiempo y cómo estas interactúan. Considerando que el cerebro humano tiene alrededor de 86 mil millones de neuronas, esto resulta claramente imposible con la tecnología que disponemos en la actualidad.

Sin embargo, como se mencionó al principio, el dormir es un comportamiento observado en muchos animales, por lo que tal vez se pueda estudiar en otro animal que tenga un sistema nervioso más simple que el de nosotros.

Es por esto que un grupo de científicos liderados por Annika Nichols, del Instituto de Investigación en Patología Molecular, en Viena, Austria, decidió realizar un estudio para determinar la mecánica detrás del comportamiento de sueño en el gusano Caenorhabditis elegans. Con esta última línea, la primera pregunta que surge seguramente en la mente del lector es, ¿los gusanos duermen?

La respuesta más correcta a esta pregunta sería decir que presentan un comportamiento equivalente al dormir de los mamíferos, pero que no es exactamente igual. Estos gusanos presentan un estado que es llamado de “quiescencia” (lit. quedarse quieto) el cual ocurre durante la saciedad, después de cansarse y en tiempos específicos del desarrollo llamados “letargo” y comparte características fundamentales con el sueño en otras especies, incluyendo un aumento del umbral de excitación y reversibilidad (la capacidad de despertarse), una postura específica (disminuye la curvatura del cuerpo del gusano) y mecanismos que lo regulan (por ejemplo, si al animal se le impide dormir luego duerme por más tiempo).

La ventaja de estudiar este gusano es que su cerebro es bien conocido, su estructura es estereotípica y está completamente mapeada y además está compuesto de solo 302 neuronas, un número bastante más manejable.

El primer paso del estudio fue determinar un mecanismo mediante el cual inducir el sueño en el gusano. Utilizando una cepa de laboratorio específica del gusano (llamada npr-1) que muestra comportamientos sociales similares a los gusanos salvajes, los investigadores observaron que estos forman agrupaciones en una etapa del desarrollo específica y entran en letargo juntos. Uno de los fenómenos asociados a estas agrupaciones es la disminución de la cantidad de oxígeno en el medio que los rodea, y efectivamente cuando se disminuía experimentalmente la cantidad de oxígeno disponible para los gusanos que se encontraban en esta etapa, estos entraban en el estado de quiescencia, y viceversa, si se aumentaba el oxígeno el gusano despertaba.

El siguiente paso fue determinar la actividad cerebral que subyace a ambos fenómenos (el dormirse y el despertar). Para esto se utilizó la técnica de imagenología de calcio, en la cual el gusano es inmovilizado bajo un microscopio que permite observar mediante fluorescencia los cambios en la cantidad de calcio en cada neurona del cerebro, con esto se logra ver un punto brillante cada vez que una neurona se enciende. Otra ventaja, además de estudiar este gusano, es que es transparente lo que permite ver la fluorescencia de las neuronas de forma directa.

Mediante cambios en la cantidad de oxígeno disponible para el gusano se pudo observar cómo cambiaba la actividad general del cerebro cuando este despertaba y se quedaba dormido. Se pudo clasificar dos estados principales, uno de alta actividad correspondiente al de vigilia, que cambiaba en general entre tres estados: moverse hacia adelante, moverse hacia atrás y voltearse a derecha o izquierda, y uno de baja actividad, correspondiente al letargo, en que sólo unas pocas neuronas inhibitorias (que apagan a otras neuronas) se mantenían activas. Finalmente, utilizando herramientas matemáticas y computacionales para estudiar la dinámica cerebral inherente al cambio entre los distintos estados, se pudo observar algo interesante: Si se quitan los estímulos externos el cerebro en su conjunto tiende hacia el estado de sueño, y es necesario agregar un estímulo, como el oxígeno, para que el cerebro vuelva a presentar los patrones de actividad de vigilia.

En conclusión, se observó que el sistema que induce el letargo en estos gusanos sigue un modelo “de abajo hacia arriba”, en el cual el cerebro del gusano tiende “por defecto” a dormirse, y se requiere de sistemas de control que lo activen para llevarlo al estado de vigilia. Es decir el dormir es una propiedad emergente de la red neuronal por su configuración y el sueño es un fenómeno espontáneo.

Aunque claramente es discutible qué tanto se puede extrapolar lo observado en este gusano a otros animales y a los seres humanos, este estudio arroja nuevas luces sobre cuáles son los mecanismos que controlan el despertar y el dormirse, y sirve de base para definir las estrategias a seguir en estudios futuros. Así que si te llaman la atención en una reunión importante por quedarte dormido, el que las redes neuronales parecen tender al sueño espontáneamente no necesariamente sería una excusa válida.

Estudio principal: A global brain state underlies C. elegans sleep behavior. http://science.sciencemag.org/content/356/6344/eaam6851
Se usó también como referencia: Do C. elegans Sleep? A Closer Look. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3571757/

 

Lee el artículo original en EL MOSTRADOR

Visit Us On FacebookVisit Us On TwitterVisit Us On Youtube