Ficha N 12 - Ritmos biológicos

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Neurofisiología II – Cát. 123
Ficha de cátedra Nº 12
Ritmos Biológicos
Alberto Iorio y Manuel Correa Freisztav
Índice
Síntesis del tema 2
Variaciones orgánicas / conductuales y mecanismos homeostáticos 3
Concepto y variedades de ritmos biológicos 4
Tipos de ritmos biológicos 5
Por la sincronización con los cambios ambientales 7
Sincronización de los ritmos biológicos con los cambios ambientales 7
Estudios cronobiológicos 8
Factores genéticos relacionados con los ritmos biológicos 10
Los ritmos circadianos 10
Organización del “sistema circadiano” en mamíferos y humanos 14
Los núcleos supraquiasmáticos: relojes biológicos de los mamíferos 14
Efectos de lesión en núcleo supraquiasmático sobre los ritmos circadianos 15
Efectos de estimulación en núcleo supraquiasmático sobre los ritmos circadianos 16
Estudios de porciones de núcleo supraquiasmático “in vitro” 16
Estudios de trasplante de núcleo supraquiasmático “in vivo” 16
Vías aferentes de sincronización de los ritmos circadianos con el ambiente 17
Eferencias de los núcleos supraquiasmáticos del hipotálamo 18
Integración entre ritmos biológicos y comportamientos motivacionales 19
El sueño como una forma de comportamiento motivacional 19
Características de los ritmos de vigilia y sueño en cetáceos 20
Conclusiones 21
Referencias bibliográficas 22
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1. Síntesis del tema
1.1. Variaciones del entorno ambiental y variaciones orgánicas
Los organismos vivientes se encuentran en un ambiente que presenta variaciones
continuas en muchas de sus propiedades (físicas, químicas, etc.). Algunas de las
variaciones del entorno son esporádicas, azarosas, o “aperiódicas” (no se repiten con
intervalos y duración regulares en el tiempo). Otras variaciones son “periódicas” (se
repiten a intervalos regulares). Cuando estas variaciones se repiten de manera regular,
pueden conformar “ciclos”, cuyos períodos de duración e intervalo se suceden de
manera más o menos persistente. Las distintas “frecuencias” en que se suceden estos
ciclos ambientales pueden variar ampliamente, pero son proporcionales a los diferentes
ciclos (las frecuencias son inversamente proporcionales al número de ciclos por unidad
de tiempo, y viceversa).
Los organismos vivientes presentan también múltiples variaciones en su
morfología, en su fisiología o incluso en su comportamiento. Algunas de las variaciones
que presentan los organismos pueden ser “exógenas” e incluso “pasivas”, esto es,
provocadas en respuesta a los cambios ambientales (como por ejemplo los movimientos
de las algas por corrientes de agua, o de las hojas por efecto de los vientos). Muchas de
estas variaciones son esporádicas (variaciones aperiódicas), o incluso progresivas, tanto
por procesos “exógenos”, como son cambios en las condiciones ambientales (por
ejemplo, desecación del suelo), o procesos “endógenos”, como el crecimiento y el
desarrollo.
1.2. Variaciones orgánicas / conductuales y mecanismos homeostáticos
El concepto de “homeostasis”, tal como fuera formulado a comienzos de siglo
XX por Walter Cannon, se refiere al rango de variaciones de los estados fisiológicos
dentro de los cuales es posible el sostenimiento de la vida de los organismos. El
concepto de “mecanismos homeostáticos” se refiere a los procesos fisiológicos que
hacen posible la homeostasis de los organismos.
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Entre los mecanismos homeostáticos, pueden distinguirse: 1) los mecanismos de
la “homeostasis reactiva”, expresión con la que se designa a los mecanismos reflejos –
por ejemplo en respuesta a perturbaciones del medio interno, a través de los sistemas
nerviosos autonómicos y neuroendocrinos–, y 2) los mecanismos de la “homeostasis
predictiva”, expresión con la que se designa a los mecanismos que se anticipan a las
variaciones que pudieran suceder, lo que sucede especialmente cuando las variaciones
del entorno son regulares, a través de mecanismos “anticipatorios”. Ejemplos de
mecanismos homeostáticos predictivos / anticipatorios son los ritmos biológicos, los
procesos motivacionales, y algunas formas de aprendizaje. Los mecanismos predictivos
/ anticipatorios son el resultado tanto de la evolución natural, como del aprendizaje
individual / social. En un cierto sentido, las condiciones de los organismos para variar su
comportamiento en base al aprendizaje, pueden ser también consideradas en la
perspectiva de la “teoría sintética de la selección natural”.
2. Concepto y variedades de ritmos biológicos
Podemos definir a un ritmo biológico como la variación regular de una función
biológica en el curso del tiempo. Para delimitar el concepto de manera más precisa, los
ritmos biológicos se caracterizan por: 1) ser variaciones periódicas (que recurren en el
tiempo con intervalos más o menos regulares) de una o más propiedades fisiológicas o
conductuales de los organismos vivos; 2) poseer mecanismos internos (mecanismos
“endógenos”); y 3) estar genéticamente determinados (más allá de las posibilidades de
expresión epigenética). Los ritmos biológicos son provocados por marcapasos internos
–también denominados “relojes biológicos” u “osciladores internos”–, que están
constituidos por estructuras y circuitos neurales para hacer frente a las variaciones
periódicas de manera “activa” –aunque en algunos casos estén vinculados con las
variaciones del ambiente–.
Existe una gran variedad de ritmos biológicos, entre los cuales, algunos ocurren
durante momentos más o menos breves –tales como los movimientos vinculados a la
locomoción, o el vuelo–. Otras variaciones periódicas de los organismos se encuentran
vinculadas a procesos fisiológicos y se suceden a lo largo de toda la existencia –tales
como los ciclos de la respiración, los ciclos cardíacos, o los ciclos de la actividad
eléctrica cerebral–.
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Figura 1. Ritmos biológicos en organismos vegetales.
2.1. Tipos de ritmos biológicos
2.1.1. Por la duración de los períodos
En cierta literatura existe cierta confusión en la nomenclatura con respecto a los
ritmos denominados “infradianos” y “ultradianos”. La designación que se propone a
continuación ha sido verificada como la más usual. De todos modos, se propone que los
ritmos designados como “infradianos” y “ultradianos”, sean considerados más por la
duración del período, mayor y menor a las 24 horas, respectivamente. A continuación,
se mencionan algunos ejemplos.
● Circadianos (cuando el periodo es cercano a las 24 horas del ciclo diurno).
- Ciclos de vigilia y sueño;
- Ciclos de actividad corporal;
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- Ciclos de estados de “activación” en vigilia (mensurables por ejemplo por
técnicas de tiempos de respuesta a estímulos);
- Ciclos de variaciones de temperatura corporal;
- Ciclos de secreción hormonal;
● Infradianos (cuando el periodo es mayor a las 24 horas, es decir que la
variación excede a la duración de un día):
- Ciclo menstrual en seres humanos;
- Ciclos de hibernación en algunas especies;
- Ciclos proceptivos para actividad sexual, nidación, crianza, en algunas
especies;
- Ciclos de migraciones estacionales en algunas especies;
• Ultradianos (cuando el periodo es menor a las 24 horas, es decir que las
variaciones ocurren dentro de la duración de un día):
- Frecuencias de actividad eléctrica cerebral;
- Fases de sueño de movimientos oculares rápidos (MOR) y (No-MOR,
también designado “sueño lento” por las frecuencias de ondas cerebrales
asociadas - etapas I, II y III-IV);
- Frecuencia cardíaca;
- Frecuencia respiratoria.
• Circanuales (cuando el periodo es cercano a los 12 meses);
- Cambios corporales y de desarrollo en la infancia y la juventud en seres
humanos;
• Plurianuales (cuando el periodo es de varios años).
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- Cambios corporales y de desarrollo en la edad adulta y avanzada en seres
humanos;
Figura 3. Los distintos ritmos biológicos -por ejemplo, los circadianos de vigilia y
sueño-, pueden estar ensamblados con otros ritmos biológicos “ultradianos”.
2.1.2. Por la sincronización con los cambios ambientales
● Asincrónicos, cuando el periodo es independientede cambios ambientales.
● Sincrónicos, cuando el periodo se encuentra sincronizado con los cambios
ambientales (por ejemplo, con los ciclos de iluminación ambiental; ver figura 4).
2.1.3. Sincronización de los ritmos biológicos con los cambios ambientales
Algunas variaciones periódicas de los organismos se encuentran sincronizadas
con las variaciones ambientales. Esto significa que sus ciclos presentan fases de inicio,
mantenimiento y terminación que se encuentran “en fase” –en simultaneidad o sincronía
con los cambios periódicos del entorno–. La sincronización entre los ritmos biológicos
(endógenos) y las variaciones periódicas del entorno ha sido el resultado de la selección
natural. Los mecanismos de sincronización de los ritmos biológicos con los cambios
ambientales proveen mayores posibilidades de supervivencia para individuos y especies,
por su mayor capacidad adaptativa en términos de eficacia y eficiencia. Es por tales
motivos que los ritmos biológicos que están sincronizados con los cambios ambientales
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han sido favorecidos por la selección natural.
Figura 4. Mecanismos de sincronización de ritmos biológicos circadianos en mamíferos
y humanos.
Figura 5. Sincronización entre ritmos ambientales y ritmos biológicos, y efectos de los
efectores sobre los osciladores neurales (ver el punto 6.7. de la presente ficha).
3. Estudios cronobiológicos
La “cronobiología” es la rama de la biología que estudia los “ritmos biológicos”,
así como sus “relojes biológicos” u osciladores internos. Los mecanismos de las
variaciones endógenas son variados: desde “simples” aperturas/cierres de canales de
cloro en la membrana plasmática de células miocárdicas, hasta redes neuronales entre
estructuras corticales y subcorticales (Tablas 1 y 2).
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Tabla 1. Antecedentes de la cronobiología
siglo XVIII
(1729)
Jean Jaques Dortous de
Mairan (astrónomo)
Variaciones periódicas a lo largo del día
de una especie vegetal, la “Mimosa
Púdica”, en condiciones de oscuridad.
siglo XIX Agustín de Candolle Cambio de las variaciones periódicas a
lo largo del día de una especie vegetal
similar, de 24 a 22 horas, en condiciones
de oscuridad.
siglo XIX De Mairan (astrónomo) Ritmos periódicos en seres humanos,
tales como los de temperatura corporal
en trabajadores y soldados.
siglo XX
década de los
30’
(Society for
Biological Rhythms)
Primera sociedad científica dedicada al
estudio de los ritmos biológicos.
1960 Primer simposio sobre
ritmos biológicos,
organizado por Colin
Pittendrigh
Cold Spring Harbor, Estados Unidos.
Tabla 2. Desarrollos de la cronobiología
1972 Stephan & Zucker La destrucción de los núcleos
supraquiasmáticos produce la
desaparición de numerosos ritmos
circadianos en roedores
1972 Moore & Eichler La destrucción de los núcleos
supraquiasmáticos produce la supresión
de los ritmos periódicos de secreción
adrenal de corticoides.
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Tabla 2. Desarrollos de la cronobiología (continuación)
1972 Stephan & Zucker Estudios de láminas de núcleo
supraquiasmático aislados de conexiones
con otras estructuras in vitro con
microelectrodos demuestran mantener la
actividad de descargas periódicas y
muestran una curva de respuesta de fase
ante la estimulación de las vías neurales
participantes en los efectos de la luz,
semejante a la obtenida in vivo.
1979 Schwartz, Smith
& Davidsen
Estudios de variaciones periódicas de la
actividad metabólica del núcleo
supraquiasmático de ratas, gatos y monos
fetales con 2-desoxiglucosa.
4. Factores genéticos relacionados con los ritmos biológicos
Estudios genéticos realizados con moscas de la fruta han demostrado que varios
ritmos biológicos son hereditarios. En estudios sobre mutaciones, los investigadores han
logrado suprimir completamente algunos ritmos biológicos en algunas especies,
mientras que otras mutaciones produjeron ritmos con períodos acortados o prolongados.
5. Los ritmos circadianos
Los ritmos circadianos, cuya periodicidad fluctúa alrededor de veinticuatro
horas, han sido los más estudiados. Por ejemplo, en el hombre la alternancia diaria de
sueño y vigilia se acompaña de numerosos ritmos diarios en la función neural y
endocrina. Se producen variaciones diarias en la temperatura corporal, frecuencias
respiratorias y cardiacas, y en la presión y composición de la sangre, así como en otras
funciones corporales.
Los ritmos circadianos están presentes en casi todos los seres vivientes. Una
importante propiedad de los ritmos circadianos es la plasticidad ante la presencia del
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sincronizador externo (“zeitgeber”, del alemán ‘dador de tiempo’). Los ritmos
circadianos están así constantemente vinculados a veinticuatro horas por la influencia
del o de los sincronizadores externos.
Entre los ritmos circadianos se pueden mencionar: la actividad locomotriz, la
ingesta de alimentos, la temperatura corporal, la actividad sexual, el ritmo del sueño
lento y los ritmos endocrinos (secreción de ACTH, corticoides, prolactina y
melatonina). Entre otras funciones corporales de relevancia clínica con periodicidad
circadiana se encuentran la formación de la cantidad de orina, el pH urinario, la
excreción de orina, la excreción de potasio (K+), cloro (Cl-), con máximos durante el
día, y la excreción de fosfatos y algunos ácidos, con máximos nocturnos. La función
inmune y la digestiva también presentan ritmos circadianos definidos (ver figuras 6, 7 y
8).
Sin embargo, entre todas las funciones que presentan ritmicidad circadiana en el
hombre, la más significativa es la alternancia sueño-vigilia (como antes se dijo respecto
al sueño lento o NoMOR). Desde el punto de vista circadiano, el sueño no puede ser
postergado por mucho tiempo, ya que pequeñas reducciones en el sueño normal
producen significativas caídas en el rendimiento, en especial en horas de la noche.
Estudios en seres humanos en condiciones de aislamiento de sincronizadores externos
(por ejemplo, iluminación, sonidos u otros estímulos ambientales) han revelado varias
características de la sincronización de los marcapasos del sueño y del ritmo de
temperatura corporal, que evidencian la existencia de un reloj biológico interno. En
condiciones de aislamiento, los ritmos circadianos humanos presentan un periodo de
aproximadamente 24.5-25 horas. Con el correr de los días se producen desfasajes entre
los diferentes ritmos (desincronización interna), de modo que pueden llegar a invertirse
las relaciones normales, correspondiendo el máximo de temperatura corporal al inicio
del sueño y viceversa. (El tema del control de la vigilia y el sueño se desarrolla en otra
ficha posterior).
El sincronizador ambiental más poderoso, tanto para los animales como para las
plantas, es el ciclo de luz-oscuridad, al que se suman, en los mamíferos, otros estímulos
ambientales, denominados ‘sincronizadores externos secundarios’, como la
disponibilidad de alimentos, ruido o la temperatura. Los sincronizadores externos
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secundarios afectan significativamente a los ritmos circadianos en muchas
circunstancias, aunque existe un rango limitado de periodicidades en las que
determinados sincronizadores externos pueden sincronizar el ritmo circadiano.
La luz, por ejemplo, produce una “curva de respuesta de fase” característica
cuando se aplica en condiciones de oscuridad constantes. Si el pulso de luz se da cerca
del comienzo de la fase de actividad produce un avance de fase del ritmo; en cambio, si
se aplica al final de la actividad, o el comienzo de la fase de inactividad, lo retrasa.
Mediante las curvas de respuesta de fase es posible estudiar el efecto de un estímulo
sobre la fase de un “marcador” (efector del sistema circadiano) como por ejemplo es la
actividad locomotora de mamíferos en condiciones experimentales.
Cuando por algún motivo o procedimiento experimental, se suprime la influencia
de los marcadores de fase (por ejemplo, en condiciones de luz u oscuridad constante,
etc.), el ritmo biológico circadiano adquiere lo que se denomina“período de libre
desarrollo” o “free running”, que es el natural del oscilador endógeno (en mamíferos es
de alrededor de 25 horas). Si en esa condición de libre desarrollo se aplica un otro
“dador de tiempo” externo, el ritmo endógeno es capaz de realizar un “ajuste de fase”
cambiando su periodicidad con el nuevo sincronizador. En los seres humanos (por
ejemplo, en casas de juego, en los que las condiciones de iluminación persisten en
tiempos prolongados), se ha visto que los estímulos sociales sirven también como
señales de ajuste.
Figura 6. Procesos que se suceden durante las 24 horas en seres humanos.
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Figura 7. Ritmos circadianos en seres humanos.
Figura 8. Ritmos circadianos en seres humanos que dependen del mismo sistema
oscilador endógeno o “reloj biológico”.
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6. Organización del “sistema circadiano” en mamíferos y humanos
En los mamíferos, el sistema circadiano está compuesto por: a) estructuras
neurales que actúan de marcapasos de la señal circadiana, b) vías aferentes de
sincronización con el ambiente, y c) vías eferentes desde los marcapasos a los sistemas
efectores. Los componentes de los ritmos biológicos que se encuentran sincronizados
con los cambios periódicos ambientales incluyen: sensor / vía aferente → oscilador
interno
→ vía eferente/efectores (fisiológicos/conductuales).
Existe evidencia de que existen varios osciladores en los distintos ritmos
biológicos que están sincronizados entre sí y con el entorno. En los mamíferos, los
distintos ritmos biológicos cuyos osciladores están acoplados entre sí, lo están en
especial con una estructura que se localiza en el hipotálamo: el núcleo supraquiasmático
(NSQ). En otras especies de vertebrados (aves, reptiles, anfibios, peces), los ritmos
biológicos se encuentran también subordinados a un oscilador hipotalámico que se
presume homólogo o vinculado al núcleo supraquiasmático.
Siendo que la luz es el principal sincronizador en mamíferos, lo esperable es que
existan conexiones entre el sistema visual y el NSQ. Se encontró que de hecho existían
fibras que proyectan directo de la retina hasta el NSQ, y se le denominada la vía
retinohipotalámica. Posteriormente, se observó la existencia de una vía indirecta que va
del núcleo geniculado lateral al hipotálamo, la vía genículohipotalámica. Se hablará de
esto más en detalle en el punto 6.6.
6.1. Los núcleos supraquiasmáticos: relojes biológicos de los mamíferos
En los mamíferos, los núcleos supraquiasmáticos constituyen un par de
estructuras que se disponen en la base de los hemisferios cerebrales. Cada núcleo
supraquiasmático se localiza en la porción ventral en el hipotálamo anterior –ubicado en
la porción ventrolateral al receso óptico del tercer ventrículo, y dorsal al quiasma
óptico–. El tamaño de los núcleos supraquiasmáticos es pequeño, y el número de
neuronas no supera el de algunas decenas de miles.
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Las neuronas del NSQ expresan diversas sustancias neuroactivas, principalmente
péptidos, que se distribuyen en dos poblaciones neuronales: una dorsomedial
caracterizada por la presencia de vasopresina, y una ventrolateral caracterizada por la
presencia del péptido intestinal vasoactivo (VIP). La mayoría de las neuronas del NSQ
sintetizan GABA, por lo que la localización de GABA y por lo menos otros dos
péptidos son el común en las neuronas del NSQ.
Figura 9. Núcleo supraquiasmático (NSQ) en el encéfalo humano: A) Visión lateral
mostrando su ubicación en relación con el hipotálamo y su posición superior respecto al
quiasma óptico. B) Visión frontal, mostrando su disposición bilateral y su situación
respecto al IIIer ventrículo.
6.2. Efectos de lesión en núcleo supraquiasmático sobre los ritmos circadianos
La lesión bilateral de los núcleos supraquiasmáticos en los mamíferos produce la
desorganización del patrón circadiano que caracteriza diversas conductas y parámetros
fisiológicos en los mamíferos, debido a la falta de sincronización central.
Con respecto al ciclo de sueño/vigilia, la lesión del NSQ elimina su ritmicidad
pero se sigue presentando de forma aleatoria. El trasplante del NSQ fetal en animales
lesionados restablece algunos de los ritmos desorganizados por dicha lesión (ver § 6.5).
En tales circunstancias otros zeitgebers (sincronizadores) secundarios, como la
temperatura o la disponibilidad de alimentos, adquieren la función de sincronizadores
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primarios. Esta observación es compatible con la activación de osciladores alternantes
que normalmente estarían bajo el control de los núcleos supraquiasmáticos.
6.3. Efectos de estimulación en núcleo supraquiasmático sobre los ritmos circadianos
La estimulación eléctrica o química de estos núcleos induce cambios de fase
similar a los provocados por la luz en el sistema visual. Las neuronas del NSQ
presentan variaciones circadianas en su actividad eléctrica y metabólica, cuyos valores
máximos ocurren durante el día. La capacidad de generar el patrón circadiano de
actividad es inherente a cada una de las neuronas del NSQ, aunque las interacciones
sinápticas dentro del núcleo parecen participar hasta cierto grado en el acoplamiento de
los osciladores individuales. Los ritmos circadianos persisten aún cuando el sistema
visual de los mamíferos es expuesto a condiciones de iluminación constante.
6.4. Estudios de porciones de núcleo supraquiasmático “in vitro”
Los ritmos circadianos persisten en explantes (tejido vivo separado del
organismo) de NSQ mantenidos in vitro. La actividad de las células del NSQ cultivadas
in vitro, mantienen el ritmo circadiano incluso en ausencia de señales externas. De
acuerdo con esto, está establecido que el núcleo supraquiasmático conforma el “reloj
biológico” endógeno que regula los ritmos circadianos.
6.5. Estudios de trasplante de núcleo supraquiasmático “in vivo”
Quizá las experiencias más espectaculares con relación a la fisiología de los
NSQ sean las de los trasplantes en animales con lesión en estos núcleos. Los núcleos
supraquiasmáticos de feto de rata, trasplantados en los ventrículos cerebrales o en el
hipotálamo anterior de animales adultos, restauran la actividad perdida por la lesión
previa de los núcleos supraquiasmáticos eutópicos (normales). En distintos
experimentos pudo correlacionarse la capacidad de restauración de ritmos circadianos
con la concentración de neuropéptidos antes mencionados, en particular del denominado
“péptido vasoactivo intestinal” (VIP), presente en los fragmentos trasplantados.
Las pruebas definitivas han sido dadas por experimentos en especies de
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hámsteres con “mutación t" del ritmo circadiano, que presentan periodos del oscilador
endógeno de duración menor (entre 20-22 horas), con respecto al de especies
normotípicas (23.5 horas). El trasplante cruzado de los núcleos supraquiasmáticos entre
animales mutantes y normotípicos resulta en la adopción del periodo circadiano de la
especie donante. En base a esta evidencia puede concluirse que los NSQ son osciladores
primarios y no meros factores permisivos o secundarios a la acción de otros osciladores.
Recientemente se ha identificado un mutante semejante en ratones, especie más
conocida desde el punto de vista genético, y que, por lo tanto, abre la probabilidad de
obtener animales transgénicos que faciliten la realización de estudios de expresión
génica circadiana. No se sabe, por el momento, si tales genes están activados en unos
pocos tipos celulares.
6.6. Vías aferentes de sincronización de los ritmos circadianos con el ambiente
En ausencia de patrones ambientales definidos (luz u oscuridad constantes) se
dice que el organismo está en libre curso (“free running”), mostrando variaciones con un
periodo cercano al experimentado antes del aislamiento. Como dijimos, esta
observación sugiere la existencia de un “reloj endógeno”, cuya periodicidad es de
aproximadamente veinticuatro horas (“circa” veinticuatro horas). De esta manera los
factores ambientales actúan como sincronizadores biológicos, ajustandola periodicidad
del reloj circadiano a los cambios ambientales (vinculados a factores “geofísicos”), que
ocurren en la actualidad en ciclos de veinticuatro horas.
Las aferencias más importantes de los núcleos supraquiasmáticos incluyen una
vía neural que conduce la actividad de los fotorreceptores. En los mamíferos, estas vías
se originan en fotorreceptores conectados a células ganglionares de la retina: el
denominado sistema W, que constituye un sistema no-visual que median la
sincronización con los niveles de iluminación ambiental. Este sistema se diferencia de
los sistemas retinianos M y P vinculados con los procesos de la visión, en el tamaño de
los campos receptivos y las respuestas a la iluminación (presentan ante el estímulo
lumínico una respuesta acromática con alto grado de sensibilidad al nivel de
luminosidad). Las aferencias del sistema W llegan desde la retina al NSQ a través de
dos vías aferentes: a) una vía directa, el haz retino-hipotalámico, y b) una vía indirecta,
16
la vía retino-geniculo-hipotalámica. El haz retino-hipotalámico también proyecta a las
áreas hipotalámicas lateral y anterior y a la región retroquiasmática. Estas vías nerviosas
no participan tampoco en el procesamiento senso-perceptual visual.
Existe una sustancia fotoquímica que se encuentra en las células ganglionares de
la retina llamada melanopsina, que tal como se mencionó, forma parte de un sistema
diferenciado de los sistemas visuales de conos y bastones. Su descubrimiento se debe a
que, en experimentación con mutaciones dirigidas a conos y bastones, no se observaron
alteraciones en los efectos sincronizadores de la luz.
Una forma de entender los procesos de sincronización de la actividad del NSQ
con los ciclos de luz y oscuridad ambiental, es estudiar los mecanismos de transducción
de señales dentro de las células de los núcleos, como la fosforilación de proteínas
específicas, activación de factores de transcripción e inducción de genes tempranos y
tardíos.
Además de las aferencias retinianas directa e indirecta, los núcleos
supraquiasmáticos reciben proyecciones de otras estructuras, tales como: el septum,
otros núcleos hipotalámicos, los núcleos del tálamo, y los núcleos de rafe en el tronco
cerebral.
6.7. Eferencias de los núcleos supraquiasmáticos del hipotálamo
Las eferencias fundamentales de los NSQs son hacia otros núcleos del
hipotálamo (paraventricular, ventromedial, dorsomedial hipotálamo posterior), al área
preóptica, a núcleos del tálamo, y a núcleos del rafe del tronco cerebral.
La forma en que los NSQs actúan para sincronizar la actividad rítmica de los
efectores es por medio de proyecciones a los dos grandes sistemas de comunicación: el
endocrino (a través de la inervación de la eminencia media) y el sistema nervioso
autónomo. La actividad fisiológica de estos dos sistemas (endócrino y sistema nervioso
autónomo), cambia bajo el control del oscilador primario (el NSQ), en función de la
hora del día.
Tradicionalmente la cronobiología ha estudiado al sistema circadiano como un
sistema modular en el que el flujo de información se dirige en sólo un sentido:
17
fotorreceptor → oscilador → ritmos efectores (por ejemplo, en figura 4). Sin embargo,
recientemente se han introducido nuevos conceptos acerca de la red neural del sistema
circadiano –como por ejemplo el de retroalimentación desde los efectores al oscilador
circadiano. Un ejemplo de retroalimentación es el del efecto de la actividad
física/locomotora desarrollada por el organismo sobre las curvas de fase (ver figura 5).
El tema de la retroalimentación desde los efectores al oscilador circadiano es una
cuestión de eventual implicancia terapéutica; por ejemplo, que a través del ejercicio
físico pautado puedan modificarse las condiciones de oscilación del ritmo circadiano.
7. Integración entre ritmos biológicos y comportamientos motivacionales
Como se mencionó en el § 1.2. Los ritmos biológicos y los comportamientos
motivacionales forman parte de los dispositivos orgánicos de la homeostasis predictiva
(anticipatoria). En la ficha anterior (nº 10 – comportamientos motivacionales), y siguiente (nº
13 – vigilia y sueño), ambos temas se tratan de manera especial. Lo que es útil tener en
cuenta es que los distintos procesos, sistemas, mecanismos y formas de comportamiento están
integrados entre sí, aunque se correspondan distintos niveles de observación y redes neurales
vinculadas. Los comportamientos motivacionales serán caracterizados por sus propiedades,
entre las cuales se incluye la de proveer a una necesidad fisiológica de los organismos. Como
se ha mencionado antes, el ciclo de vigilia y sueño constituye una de las formas de ritmos
circadianos. En los párrafos que siguen se mencionarán algunas evidencias respecto a que el
ciclo de vigilia y sueño pudiera ser entendido como una de las formas de comportamientos
motivacionales, y como tales, que además de la sensación subjetiva de necesidad y
satisfacción, podrían cumplir con necesidades fisiológicas particulares.
7.1. El sueño como una forma de comportamiento motivacional
Desde el punto de vista circadiano, tal y como se mencionó antes, el sueño es un
requerimiento básico que no puede ser postergado por mucho tiempo. Aún pequeñas
reducciones en el sueño normal producen caídas significativas en el rendimiento, en
especial en horas de la noche. Si se priva a un individuo de sueño en forma prolongada,
la carencia puede llevar a episodios de “microsueño”, es decir, crisis fugaces de sueño
que pasan inadvertidas.
Estudios en humanos en aislamiento han revelado varias características de la
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sincronización de los marcapasos del sueño y del ritmo de temperatura corporal, en
aislamiento, los ritmos biológicos humanos presentan un periodo de aproximadamente
24.5-25 horas. Con el correr de los días se producen desfasajes entre los diferentes
ritmos, de modo que pueden invertirse las relaciones normales, correspondiendo el
máximo de temperatura corporal al inicio del sueño y viceversa (desincronización
interna).
7.2. Características de los ritmos de vigilia y sueño en cetáceos
El sueño de los mamíferos terrestres, incluido el de humanos, implica el
descontrol, e incluso la relajación en la fase “movimientos oculares rápidos” (MOR), de
los músculos estriados, por lo general activados en forma “voluntaria” o “consciente”,
así como la relativa suspensión, o al menos la disminución, de algunos procesos
sensoriales –como la visión y el olfato–.
Una de las características de los procesos motivacionales es la de satisfacer
necesidades fisiológicas. El estado de sueño de algunas especies parece demostrar que
cumple con este criterio de necesidad. La alternancia de la vigilia y sueño de algunos
mamíferos marinos se caracteriza por la inusual forma de sueño que adoptaron algunos
delfines y otros cetáceos (como ballenas, orcas y marsopas), presenta una forma inusual
de sueño llamada “sueño de ondas lentas unihemisférico” (sueño No-MOR). De hecho,
los cetáceos no presentan sueño MOR porque la relajación muscular que es
característica de estas fases de sueño es incompatible con la necesidad de ventilación
pulmonar en superficie. Cuando estas especies descansan, únicamente uno de los
hemisferios cerebrales presenta “estados” de sueño, mientras que el otro conserva un
estado de vigilia. Se ha observado que cuando estos cetáceos duermen, suelen cerrar
únicamente uno de los ojos (por ejemplo el ojo izquierdo que se conecta con la mitad
derecha del cerebro en actividad, y viceversa). De esta manera, la persistencia del estado
de vigilia a través de uno de los hemisferios cerebrales, le permiten monitorear la
ventilación aérea.
Algunas veces, los delfines flotan inmóviles en la superficie del agua o nadan
lentamente mientras duermen. También se ha observado que los delfines en cautiverio
duermen en el fondo de sus peceras, emergiendo periódicamente a respirar. De acuerdo
con un estudio publicado en 2012 en Neuroscience& Behavioral Reviews, algunas
19
especies de delfines son capaces de alternar el cierre de un ojo (y la mitad
correspondiente del cerebro), durante fases de 4 horas durante periodos de 24 horas.
Existirían al menos tres causas por las cuales algunos mamíferos marinos, como los
delfines, podrían haberse adaptado a estas peculiares formas: 1) para evitar ahogarse, ya
que la persistencia del estado de vigilia (por ejemplo por medio de la mitad del cerebro)
les permite mantener la respiración -la cual es aérea; 2) para atender a peligros durante
el reposo; 3) para sostener cierto grado de actividad y movimiento muscular, lo que
produce incrementos de temperatura corporal en el agua, a fin de mantener la
temperatura corporal cuando expuestos a ambientes fríos (ver figura 10).
Figura 10. Actividad electroencefalográfica (EEG) de delfines en fases de vigilia y fases
de “sueño de ondas lentas” (No-MOR). La asociación de la conducta de reposo durante
el sueño con la actividad EEG muestra que en estas especies se ha seleccionado una
forma alternante de “sueño unilateral”.
8. Conclusiones
Los ritmos biológicos son procesos endógenos que son vitales para la
supervivencia de las especies, por lo que han sido favorecidos por la selección natural y
sus mecanismos están genéticamente determinados. Algunos de los ritmos biológicos
son, además, componentes de la “homeostasis” predictiva de los organismos: procesos
anticipatorios que ocurren en relación con los cambios periódicos del ambiente. El
esquema de funcionamientos del circuito involucrado en los ciclos biológicos de la
homeostasis predictiva en mamíferos incluye: 1) una vía aferente desde exteroceptores
hacia el sistema nervioso central; 2) un dispositivo que actúa como oscilador central o
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“reloj biológico”, el núcleo supraquiasmático del hipotálamo; 3) vías eferentes hacia los
efectores corporales, mediados principalmente por el sistema endócrino y el sistema
nervioso autónomo; 4) vías de “retroalimentación” desde los efectores corporales hacia
el oscilador central.
Algunos ritmos biológicos que componen los mecanismos de la homeostasis
predictiva en mamíferos pueden estar integrados a otros mecanismos de la homeostasis
predictiva, como lo son por ejemplo los mecanismos neurales que regulan los ciclos de
vigilia y sueño. Esta articulación entre distintos mecanismos de la homeostasis
predictiva –por ejemplo, en el caso del ciclo de vigilia y sueño–, sugiere el hecho de que
hayan sido seleccionadas por la evolución para proveer a necesidades vitales de los
organismos. En tal sentido, la fase de vigilia puede ser considerada como un estado
adaptativo para la evitación de peligros, la optimización de comportamientos de
alimentación (ya sea por “forrajeo” o predación), o las conductas reproductivas
(proceptivas, nidación, crianza, etc.) Del mismo modo, la fase de “sueño de ondas
lentas” (No MOR) pudiera corresponderse con procesos neurobiológicos necesarios –o
al menos favorables–, para la actividad del sistema nervioso central y la conducta.
9. Referencias bibliográficas
Cardinali, Daniel P. Manual de Neurofisiología. Centro Editor Argentino. Buenos Aires,
1995.
Carlson, N. R. (2006). Fisiología de la conducta Madrid: Pearson Educación. Cap. 9.
Golombek, Diego (2001). Cronobiología humana: En busca del tiempo perdido.
Ciencia, 39-44.
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