Descubren cómo logra el cerebro activar millones de neuronas al despertar

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El cerebro cambia el nivel de sales para controlar si estamos dormidos o despiertos. Este mecanismo hace que las células se encojan durante el sueño para permitir las tareas de «limpieza».

Durante mucho tiempo ha sido un misterio cómo el cerebro es capaz de llevar a cabo la tarea de activar miles de millones de células nerviosas con rapidez, al mismo tiempo y en una escala global cuando despertamos, en la transición entre el sueño y la vigilia.

Ahora una investigación aporta una solución muy sencilla, pero que promete ser un descubrimiento muy relevante.

“El cerebro utiliza algo tan simple como cambiar el nivel de sales en su interior para controlar si estamos dormidos o despiertos”.

Lo asegura Maiken Nedergaard, que en 2013 descubrió que el cerebro tiene también una forma muy simple de deshacerse de la basura, sencillamente baldeando líquido entre las células, sin gasto energético.

Este hallazgo fue considerado uno de los más relevantes del año por la revista Science, que ahora publica también su nuevo trabajo.

Actualmente los neurocientíficos creen que el cerebro es “despertado” por un conjunto de neurotransmisores (acetilcolina, hipocretina, histamina, serotonina, noradrenalina y dopamina) que se originan en las estructuras profundas del cerebro y del tronco cerebral.

Este cóctel de mensajeros químicos sirven para activar -o excitar- un conjunto de neuronas en la corteza cerebral y otras partes del cerebro responsables de la memoria, el pensamiento y el aprendizaje, llevando al cerebro a un estado de vigilia.

Sin embargo, este modelo no explica plenamente cómo se activan en el cerebro rápidamente los miles de millones de células nerviosas necesarias comenzar el procesamiento de la información del mundo exterior, o la forma en que decae esta actividad cuando es hora de dormir.

Tampoco explica cómo el cerebro mantiene un estado de vigilia o sueño prolongado en el tiempo.

Pero esta nueva investigación, que dará mucho que hablar, muestra que un simple cambio en el equilibrio de las sustancias químicas presentes en el líquido que baña y rodea las células del cerebro puede alterar el estado de consciencia.

El estudio se centra en un conjunto de iones contenidos en el líquido cefalorraquídeo (LCR), cuyos cambios juegan un papel clave en la estimulación o la amortiguación de la actividad de las células nerviosas.

Además, estas fluctuaciones en la proporción de sales parecen alterar el volumen de las células del cerebro, que se encogen mientras dormimos, un proceso que facilita la eliminación de los residuos, como ya demostró Nedergaard en 2013.

Los investigadores han utilizado ratones para probar si la inyección de sal en el cerebro permite el control de ciclo de sueño-vigilia del ratón, independientemente de los neurotransmisores.

En ratones vivos, las infusiones de líquido cefalorraquídeo artificial que imitan los niveles de iones durante el sueño y la vigilia se comportan como un interruptor, que cambia la actividad eléctrica del cerebro para reflejar cada estado respectivo.

Curiosamente, la transición de iones desde un estado de sueño a vigilia era mucho más repentina que la transición de un estado vigilia-sueño.

Los autores señalan que esto es consistente con la necesidad de que las personas despierten rápidamente ante estímulos nuevos, amenazantes o inesperados.

“La comprensión de lo que impulsa la activación de las células del cerebro es esencial para descifrar la consciencia y la falta de ella durante el sueño,” señala Nedergaard, del Centro de Neurociencia básica y traslacional en la Universidad de Copenhague.

”Hemos encontrado que la transición de la vigilia al sueño se acompaña de un cambio marcado y sostenido de la concentración de iones extracelulares clave y del volumen del espacio extracelular.”

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El potasio, en particular, parece jugar un papel clave cuando los niveles de iones fluctúan rápidamente durante la transición sueño-vigilia.

Aunque se conocían estos cambios en la concentración de iones, siempre se han considerado como una consecuencia más que una de las causas del ciclo sueño-vigilia, como este nuevo estudio sugiere.

“El hecho de que la simple alteración de la composición extracelular de iones pueda despertar a un animal dormido o hacerle dormir es una evidencia directa de que este mecanismo juega un papel clave en la regulación de la consciencia“, explica Nedergaard.

Como los iones están cargados positivamente, al moverse en el líquido cefalorraquídeo y entre las células del cerebro pueden cambiar la actividad eléctrica de las neuronas, haciendo que se polaricen y despolaricen.

Cuando se produce la despolarización de las neuronas, las células se vuelven excitables, y el cerebro pasa a un estado de alerta y despierto.

Estos hallazgos, a diferencia de la teoría vigente, sí explican cómo el cerebro es capaz de llevar a cabo la tarea de activar miles de millones de células nerviosas con rapidez, al mismo tiempo y en una escala global cuando hacemos la transición del sueño a estar despiertos.

También puede mostrar cómo el cerebro es capaz de mantener un estado de sueño o de vigilia durante un período prolongado de tiempo mediante la alteración del potencial eléctrico de las células nerviosas.

Los investigadores también observaron que los cambios químicos influían en el volumen de las células cerebrales.

Específicamente, encontraron que tanto las neuronas como las células de glía se contraen mientras dormimos, dejando más espacio para que el líquido cefalorraquídeo fluya y elimine los desechos del cerebro, un proceso que Nedergaard y sus colegas describieron por primera vez en 2013.

Este descubrimiento revela que no es suficiente el estudio de las neuronas solo para entender la actividad cerebral.

Hay que incluir todas las células de apoyo o gliales, especialmente los astrocitos, que regulan el nivel de sales en el cerebro.

El cerebro es más que un grupo de neuronas que funcionan como un equipo. El hecho de que necesite 7-8 horas de sueño para funcionar bien revela que queda mucho por entender”, argumenta Maiken Nedergaard.

La identificación de este nuevo mecanismo de control, podría apuntar nuevas maneras de regular el ciclo sueño-vigilia, lo que llevaría al diseño de nuevos medicamentos para dormir.

Ayudaría también a entender mejor las pérdidas prolongadas de consciencia, como durante un coma.

También se especula que los cambios en la composición de iones desempeñan un papel en la fatiga y deterioro de la memoria experimentado durante períodos prolongados de vigilia en personas con falta de sueño.

Este descubrimiento puede ser también de gran importancia para la investigación de enfermedades psiquiátricas como la esquizofrenia.

Y permite comprender mejor por qué hay personas que sufren ataques convulsivos cuando permanecen despiertas durante toda la noche, así como la confusión post-anestesia que sufren algunas personas, resalta Maiken Nedergaard.

Fuente: ABC