Ciencia del sueño: ¿Cuáles son algunas de las teorías aceptadas sobre lo que hace nuestro cerebro cuando dormimos?

Los marcos teóricos para comprender la función del sueño se pueden dividir en tres grupos (consulte la tabla a continuación)

(1) marcos que enfatizan el equilibrio energético y / o la homeostasis metabólica

(2) marcos que se basan en la neurodinámica

(3) marcos que ven el sueño como un estado emergente que surge de la integración temporal y / o espacial de procesos elementales.

El lector debe darse cuenta de que cada marco “observa” diferentes aspectos de la biología. Por lo tanto, los diferentes marcos no necesariamente compiten y un marco no necesariamente se contradice con otro. De hecho, la mayoría de los marcos, incluso todos, pueden ser válidos, en todo o en parte.

1. Marcos que enfatizan la homeostasis energética y / o metabólica

El sueño reduce el consumo de energía al degradar el metabolismo, la generación de calor, la conducción nerviosa y otros procesos que consumen energía. Las teorías de conservación de la energía consideran el ahorro de energía como la razón básica por la cual los animales duermen. Los animales más pequeños pierden calor más rápido y duermen más tiempo que los animales más grandes. Los argumentos en contra de esta teoría incluyen el largo tiempo de sueño de los carnívoros con comidas energéticamente densas, el estado hipometabólico e hipomotor de bajo consumo de vigilia silenciosa y las altas tasas metabólicas de algunas áreas del cerebro durante el sueño REM. El modelo de asignación de energía argumenta que la principal razón por la cual los animales duermen no es para conservar energía, sino para reasignar energía de las altas demandas de vigilia hacia los procesos esenciales dependientes del sueño.

Teorías de eliminación de desechos enfatizar el papel del sueño en la eliminación de desechos metabólicos. El concepto de eliminación de desechos se galvanizó mediante el descubrimiento de una vía de eliminación de desechos en el cerebro, ahora conocido como sistema glifático . Un estudio reciente encontró que la eliminación de desechos a través del sistema glifático es más eficiente durante el sueño, especialmente en el sueño NREM. Los autores lo atribuyeron a un aumento en la eficiencia del líquido cefalorraquídeo para el intercambio de líquido intersticial durante el sueño. Las proteínas vinculadas a enfermedades neurodegenerativas, que incluyen β-amiloide, α-sinucleína y tau, están presentes en el espacio intersticial que rodea las células del cerebro. El fluido cerebroespinal recircula a través del cerebro e intercambia con el líquido intersticial eliminando estas proteínas intersticiales. De acuerdo con la hipótesis del fragmento de proteína , los fragmentos de proteína generados en el cerebro durante la vigilia inducen el sueño, lo que, a su vez, da como resultado una regulación a la baja de la producción de fragmentos proteicos y una regulación positiva de las vías de degradación de los fragmentos. La teoría del flujo de radicales libres considera la eliminación del exceso de radicales libres como una función clave del sueño.

Las teorías de la restauración difieren en cuanto a lo que se está restaurando. El reabastecimiento de las reservas de energía agotadas es el énfasis de las hipótesis de restauración de energía . La hipótesis de Benington-Heller afirma que el glucógeno astrocítico se agota durante la vigilia y se restablece durante el sueño. La utilización de glucosa por las neuronas durante la vigilia aumenta la producción de adenosina . Las mediciones de las transcripciones de ARNm mostraron que una gran cantidad de genes se transcriben en el cerebro durante el sueño normal y de recuperación. El sueño regula al alza la síntesis de una variedad de proteínas involucradas en el metabolismo, el tráfico de transmisores y la señalización de la membrana.

2. Marcos basados ​​en neurodinámica

Algunas teorías del sueño invocan la neurodinámica : procesos neuronales involucrados en la generación, transmisión y procesamiento de la señal, la sincronización de la actividad neuronal y la regulación intrínseca de estos procesos. Las teorías del sueño basadas en la neurodinámica se basan en tres marcos superpuestos: activación aferente, neuroplasticidad y homeostasis neurodinámica.

Teorías de conducción aferente enfatizar los efectos en tiempo real de las fuentes extrínsecas en los procesos de vigilia y sueño. Un modelo de activación simple consiste en un continuo de sueño-vigilia donde la activación es mínima en un extremo (sueño NREM) y máxima en el otro (vigilia activa). Las teorías de impulso aferente han sido relegadas a una posición secundaria a medida que las teorías del sueño basadas en la plasticidad y la homeostasis ganaron popularidad. Para ser completo, una teoría del sueño no debe ignorar las variables aferentes en tiempo real. Activación del sueño REM e hipótesis ontogenéticas argumentan que la estimulación cerebral en el sueño REM es esencial para la plasticidad cerebral, la ontogénesis y la maduración. La hipótesis de la reactivación de sueño REM Afirma que el cerebro usa el sueño REM para despertarse. Las proyecciones corticofugosas a los centros del tallo cerebral aumentan progresivamente la actividad cortical durante el sueño REM hasta que se alcanza el umbral de vigilia. La teoría de activación-síntesis postula que los sueños resultan de la “síntesis” cortical de las activaciones subcorticales durante el sueño REM.

La neuroplasticidad brinda a los organismos la flexibilidad para adaptar su comportamiento a cambios constantes en el medio ambiente. Es la base para el aprendizaje, la memoria y la remodelación cerebral durante la ontogenia y en respuesta a la neuropatología. Al igual que el sueño, los mecanismos moleculares subyacentes a la neuroplasticidad están altamente conservados en la evolución. La mayoría de los expertos coinciden en que el sueño es esencial para la consolidación de la memoria y el desarrollo del cerebro eso se logra a través de la neuroplasticidad. Lo que aún no está claro es si esto ocurre principalmente por el fortalecimiento sináptico, la homeostasis sináptica o ambos mecanismos.

Teorías de potenciación sináptica argumentan que el sueño promueve la memoria al fortalecer las sinapsis utilizadas recientemente o subutilizadas. De acuerdo con el modelo estándar de consolidación de la memoria , el hipocampo recibe información de la neocorteza durante la vigilia, enlaza esta información en un rastro de memoria coherente y transfiere la información a la neocorteza durante el sueño donde se almacena e integra dentro de las huellas de memoria preexistentes. En los mamíferos, el proceso de transferencia implica conexiones del hipocampo con la corteza prefrontal. La hipótesis de los procesos duales argumenta que el sueño NREM y el sueño REM consolidan diferentes tipos de recuerdos. La llamada repetición o reactivación de las neuronas “fuera de línea” durante el sueño se ha observado en el hipocampo, la corteza prefrontal, el cuerpo estriado, la corteza visual primaria y otras regiones cerebrales. En el experimento clásico de privación monocular, el sueño dio como resultado una mejora de la plasticidad de dominancia ocular del ojo abierto. La hipótesis de la estabilización dinámica sugiere que las excitaciones neuronales espontáneas en el sueño (especialmente el sueño REM) son esenciales para la estabilización dinámica de las sinapsis que se subutilizan en la vigilia. Se espera que los animales con cerebros altamente desarrollados duerman más y pasen más tiempo en el sueño REM porque sus cerebros complejos tienen circuitos más subutilizados que deben estabilizarse durante el sueño.

Homeostasis sináptica implica el debilitamiento neto de las sinapsis. De acuerdo con la
hipótesis de homeostasis sináptica (SHY) , la experiencia y el aprendizaje durante la vigilia aumentan la fuerza neta sináptica de los circuitos cerebrales y el sueño promueve el debilitamiento sináptico global (reducción de escala) para renormalizar las sinapsis sobreutilizadas. Esto preserva la fuerza relativa entre las sinapsis, permite un mayor cambio sináptico y previene los costos metabólicos asociados con la sinaptogénesis excesiva. Por lo tanto, SHY predice que las sinapsis deberían ser más débiles, no más fuertes después del sueño. Existe una amplia evidencia experimental a favor y en contra de SHY.

Teorías de procesamiento secuencial retratar la formación de la memoria como una secuencia de eventos neuroplásticos que comienzan en vigilia, avanzan a lo largo de las etapas de sueño y
que culmina en la consolidación de la memoria. La teoría de gofrado sináptico propone que el sueño NREM reverbera recuerdos en ausencia de interferencia sensorial y el sueño REM desencadena eventos relacionados con la plasticidad en redes previamente activadas. De acuerdo con la hipótesis secuencial , los recuerdos irrelevantes se degradan durante el sueño NREM y los recuerdos relevantes se almacenan e integran con recuerdos preexistentes durante el sueño REM. Otra propuesta, relaciona el sueño NREM ligero con la potenciación sináptica y el sueño NREM profundo con la homeostasis sináptica. En el modelo de auge y caída , las primeras horas de sueño conducen a la potenciación sináptica, que es mayor en las sinapsis estimuladas según las reglas de Hebb, seguida más tarde por una etapa en la que una escala no hebbiana más lenta reduce la fuerza sináptica neta en la red. Basado en el curso de tiempo paralelo de actividad de onda lenta (SWA) y memoria episódica en el desarrollo temprano, se hipotetizó un desequilibrio en la regulación sináptica durante el sueño, es decir, la consolidación de memoria y la potenciación sináptica mejoran durante el sueño, pero la reducción sináptica global asociada al SWA completar la recuperación homeostática.

La homeostasis neurodinámica apenas se ha examinado más allá de las neuronas y los circuitos locales. No se entiende completamente cómo los procesos prohomeostáticos en neuronas individuales interactúan en el nivel de la red, cómo la regulación en múltiples sitios y múltiples
las escalas de tiempo interactúan dentro de las neuronas y otros mecanismos de plasticidad, y cómo
la homeostasis local se traduce en estabilidad de red global, flexibilidad y
robustez Avances en el poder computacional, algoritmos de modelado y molecular
la tecnología de imágenes (por ejemplo, optogenética) proporcionará a los neurocientíficos las herramientas para examinar las interacciones neurona-neurona y neurona-glía que tienen lugar a través de
diferentes dominios espaciales y temporales. El objetivo final es comprender cómo los mecanismos de sueño y vigilia estabilizan las funciones neuronales, de los circuitos neuronales y de red y cómo se modifican estas funciones durante el desarrollo y el aprendizaje de los nervios .

3. Marcos que enfatizan la integración temporal y / o espacial

El marco más influyente para entender el sueño es el modelo de sueño de dos procesos (2p) . Se enfatizan dos variables en este modelo: la variable cronofásica, denominada Proceso C para circadiano, y la variable homeostática, denominada Proceso S para dormir. El transcurso del tiempo del Proceso S se derivó de mediciones de actividad de onda lenta (SWA) en el EEG. Posteriormente se desarrolló una versión cuantitativa del modelo 2p y también se incorporó al modelo la dinámica del ciclo de sueño NREM-REM ultradiano . Varias variaciones del modelo 2p se han publicado desde su inicio. Originalmente, C y S se modelaron como variables independientes (que no interactúan), pero luego se demostró que este no era el caso. El SWA se correlaciona con la hiperpolarización de las neuronas talamocorticales durante el sueño NREM y con los niveles de adenosina en el cerebro.

El modelo de reloj de estado postula la presencia de un estado de fondo de plasticidad sináptica con un perfil temporal que se rige por relojes circadianos y osciladores biológicos, por ejemplo, la temperatura corporal y la actividad hormonal. La experiencia de vigilia cambia la plasticidad de referencia y el sueño produce más cambios neuroplásticos (consolidación). Por lo tanto, la neuroplasticidad del sueño depende de la experiencia de vigilia (activación de circuitos neurales específicos) y de los osciladores circadianos que, en los mamíferos, consisten principalmente en la temperatura del cerebro y la actividad del eje hipotálamo-hipófisis.

En el paradigma dependiente del uso local , las partes del cerebro que fueron “utilizadas” más durante la vigilia son las que “descansan” más durante el sueño. El sueño es
un estado emergente que surge de la integración espacial de estados neurodinámicos y metabólicos locales . Con esta perspectiva, algunas áreas del cerebro pueden estar “durmiendo” mientras que otras áreas están “despiertas”. Las pruebas de este paradigma incluyen el aumento del SWA dependiente del uso local y la capacidad de modelar el sueño como una propiedad fundamental de las asambleas neuronales.

El paradigma de metaregulación resta importancia al papel del sueño en la renormalización de los cambios moleculares, celulares, de red y fisiológicos en los que el organismo incurrió durante la vigilia previa. El sueño no se considera como un estado biológico con funciones restaurativas específicas, sino como una manifestación de metaregulación que permite
integración eficiente momento a momento de los factores internos y externos con la fisiología pre-sueño y las demandas homeostáticas en curso. Los procesos fisiológicos centrales que controlan el sueño pueden ser comunes a los animales que pertenecen a la misma clase u orden, pero ligeras modificaciones evolutivas resultan en estrategias de integración específicas para cada especie.
salvaguardar la homeostasis energética a medida que el animal pasa de un estado adaptativo
a otro.

Se propuso un paradigma basado en la biología de sistemas para ayudar a comprender la función y evolución del sueño. En este marco, el sueño se conceptualiza como la organización temporal de la recuperación funcional, una estrategia evolutiva que aumenta la solidez general de un animal. Robustez es la capacidad de un sistema biológico para mantener su función (y sobrevivir) en tiempos de estabilidad (homeostasis) y en presencia de perturbaciones (por ejemplo, durante transiciones de estado y amenazas externas). Varios procesos metabólicos y celulares se integran en el tiempo y se organizan a través de mecanismos circadianos y retrasos incorporados no solo para salvaguardar la homeostasis sino, lo que es más importante, para mejorar la solidez y la funcionalidad general. El sueño, como una vía de recuperación, es flexible: dependiendo de la deuda homeostática y del tiempo circadiano, un animal puede pasar rápidamente del estadio 1 al estadio 2 o al estadio NREM 3 o puede pasar más tiempo en la etapa 2 antes de ingresar a la etapa 3 del sueño NREM .

En el paradigma del sueño de 2 modos y 3 unidades (2m3d) , los procesos locales neurodinámico-metabólicos (N / M) cambian entre dos modos (2m) -m0 y m1 -en respuesta a tres unidades (3d) -afferent, chronophasic, y homeostático. La integración espaciotemporal de las operaciones m0 / m1 locales da lugar a los estados globales de sueño y vigilia. Como un marco de evolución, el paradigma de 2m3d nos permite ver el sueño como una estrategia de adaptación robusta que evolucionó para que los animales puedan reforzar periódicamente la homeostasis neurodinámica y metabólica a la vez que permanecen receptivos a su entorno interno y externo.

Advertencia importante : los marcos teóricos para el sueño que se describieron brevemente más arriba enfatizan diferentes aspectos de la biología . Por lo tanto, la mayoría o incluso todas estas teorías, hipótesis, modelos y paradigmas pueden ser válidos, en todo o en parte.

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