Imágenes de microscopio electrónico tomadas desde el interior del cerebro de ratones sugieren lo que sucede en nuestro propio cerebro todos los días: nuestras sinapsis --las uniones entre las células nerviosas-- crecen fuertes y grandes durante la estimulación del día y luego se contraen cerca de un 20 por ciento mientras dormimos, dejando espacio para más crecimiento y aprendizaje al día siguiente.
Estos hallazgos fruto de un proyecto de investigación de cuatro años publicado este jueves en 'Science' ofrece una prueba visual directa de la 'hipótesis de la homeostasis sináptica' (SHY, por sus siglas en inglés) propuesta por losdoctores. Chiara Cirelli y Giulio Tononi del Centro Wisconsin para el Sueño y la Conciencia, en Estados Unidos.
Este planteamiento sostiene que el sueño es el precio que pagamos para que los cerebros sean capaces de seguir aprendiendo cosas nuevas.
Cuando una sinapsis se activa repetidamente durante el despertar, crece en fuerza, y se cree que este crecimiento es importante para el aprendizaje y la memoria. Sin embargo, según la SHY, este crecimiento necesita equilibrarse para evitar la saturación de las sinapsis y la obstrucción de la señalización neural y los recuerdos. Se cree que el sueño es el mejor momento para este proceso de reajuste, ya que cuando dormimos prestamos mucha menos atención al mundo externo y estamos libres del 'aquí y ahora'.
Un 20 por ciento de reducción de las sinapsis
Cuando las sinapsis se hacen más fuertes y más eficaces, también se vuelven más grandes y, al contrario, se encogen cuando se debilitan. Así, Cirelli y Tononi razonaron que una prueba directa de la SHY sería determinar si el tamaño de las sinapsis cambia entre el sueño y el despertar, y usaron un método con una resolución espacial extremadamente alta llamada microscopía electrónica de exploración en serie.
La investigación en sí, que se detalla en un artículo publicado en 'Science', fue un proyecto masivo, con muchos especialistas en investigación trabajando durante cuatro años para fotografiar, reconstruir y analizar dos áreas de la corteza cerebral en el cerebro del ratón. De esta forma, los investigadores consiguieron reconstruir 6.920 sinapsis y medir su tamaño.
El equipo no sabía si estaban analizando células cerebrales de un ratón bien descansado o que había estado despierto. Cuando finalmente 'rompieron el código' y correlacionaron las mediciones con la cantidad de sueño que tuvieron los animales durante las entre seis a ocho horas antes de tomar las imágenes, vieron que unas pocas horas de sueño condujeron en promedio a una disminución del 18 por ciento en el tamaño de las sinapsis, cambios que se produjeron en ambas áreas de la corteza cerebral y fueron proporcionales al tamaño de las sinapsis.
El reajuste se produjo en alrededor del 80 por ciento de las sinapsis, pero dejó las más grandes, que pueden estar vinculadas con los trazos de recuerdos más estables. Tononi apunta: 'Extrapolándolos de ratones a seres humanos, nuestros hallazgos significan que cada noche trillones de sinapsis en nuestra corteza podrían disminuirse en casi un 20 por ciento'.
En esta línea, otro trabajo publicado en la misma edición de 'Science' junto a esta investigación revela que la privación de sueño perjudica la capacidad del cerebro para formar nuevos recuerdos y que el reajuste químico de las células cerebrales durante el sueño es crucial para el aprendizaje. Sus autores sugieren que las pastillas para dormir pueden sabotear este reinicio celular.
Científicos de la Universidad Johns Hopkins, en Baltimore, Maryland, Estados Unidos, hallaron evidencia por su estudio en ratones de que un objetivo clave del sueño es volver a calibrar las células del cerebro responsables de la memoria y el aprendizaje para que los animales puedan 'solidificar' lecciones aprendidas y utilizarlas cuando se despiertan o, en el caso de los roedores nocturnos, a la noche siguiente. Hallaron varias moléculas importantes que rigen el proceso de reajuste, así como pruebas de que la privación del sueño, los trastornos del sueño y las pastillas para dormir pueden interferir en el proceso.
'Nuestros hallazgos avanzan firmemente en la idea de que el ratón y, presumiblemente, el cerebro humano sólo puede almacenar tanta información antes de necesitar volver a calibrarse --subraya Graham Diering_estudiante postdoctoral que dirigió el estudio--. Sin el sueño y el reajuste que se produce durante el sueño, los recuerdos corren peligro de perderse'.
Diering explica que actualmente se sabe que la información está 'contenida' en las sinapsis, las conexiones entre las neuronas a través de las cuales se comunican. En el 'lado emisor' de una sinapsis, las moléculas de señalización llamadas neurotransmisores se liberan por una célula cerebral cuando 'se activa'; mientras en el 'lado receptor', esas moléculas son capturadas por proteínas receptoras, que pasan el 'mensaje'; de forma que si una célula recibe suficiente comunicación a través de sus sinapsis, activa sus propios neurotransmisores.
Reestructuración de las sinapsis cada 12 horas
Los experimentos en animales han demostrado que las sinapsis en la neurona receptora pueden conmutarse añadiendo o eliminando proteínas receptoras, reforzándolas o debilitándolas y permitiendo que la neurona receptora reciba más o menos entradas de las neuronas de señalización cercanas. Los científicos creen que los recuerdos están codificados a través de estos cambios sinápticos.
Pero hay un atasco en este pensamiento, dice Diering, porque mientras los ratones y otros mamíferos están despiertos, las sinapsis a través de su cerebro tienden a fortalecerse, no debilitare, empujando al sistema hacia su carga máxima. Cuando las neuronas están 'al máximo' y constantemente activas, pierden su capacidad de transmitir información, obstaculizando el aprendizaje y la memoria.
Una posible razón de que las neuronas no suelen exprimirse es un proceso que ha sido bien estudiado en las neuronas cultivadas en laboratorio, pero no en animales vivos, dormidos o despiertos. Conocido como reducción homeostática, es un proceso que debilita uniformemente las sinapsis en una red neuronal en un pequeño porcentaje, dejando sus fuerzas relativas intactas y permitiendo que continúen el aprendizaje y la formación de memoria.
Para averiguar si el proceso ocurre en los mamíferos dormidos, Diering se centró en las áreas del cerebro del ratón responsables del aprendizaje y la memoria: el hipocampo y la corteza. Los resultados mostraron una caída del 20 por ciento en los niveles de proteínas receptoras de sinapsis en ratones dormidos, lo que indica un debilitamiento general de sus sinapsis en comparación con los roedores que estaban despiertos.
Según el autor principal del estudio, Richard Huganir, profesor de Neurociencia y director del Departamento de Neurociencia de Johns Hopkins, los hallazgos sugieren que las sinapsis se reestructuran a través del cerebro del ratón cada 12 horas aproximadamente. Para saber específicamente qué moléculas fueron las responsables del fenómeno, el equipo recurrió a una proteína llamada Homer1a, hallando que es importante para la regulación del sueño y de la vigilia, y para la reducción homeostática en las neuronas cultivadas laboratorio.
Para determinar cómo Homer1a detecta cuándo los ratones están durmiendo o despiertos, los investigadores miraron el neurotransmisor noradrenalina, que impulsa al cerebro a la excitación y a la vigilia. Al bloquear o mejorar los niveles de noradrenalina, tanto en neuronas cultivadas en laboratorio como en ratones, confirmaron que cuando los niveles eran altos, Homer1a se mantuvo alejada de las sinapsis; y cuando eran altos, se refugiaba allí.