La neurociencia del sueño es el estudio de las bases neurocientífica y fisiológica de la naturaleza del sueño y sus funciones. Tradicionalmente, el sueño se ha estudiado como parte de la psicología y la medicina. El estudio de sueño desde la perspectiva de la neurociencia, aumentó su importancia con los avances en la tecnología y la proliferación de la investigación en neurociencias a partir de la segunda mitad del .miniaturadeimagen|La bella durmiente: Pintura de principios del , por Victor Vasnetsov.
El hecho de que los organismos pasan varias horas de su tiempo durmiendo y que la privación del sueño puede tener efectos desastrosos que en última instancia causa a la muerte, demuestra la importancia del sueño. Para un fenómeno tan importante, los propósitos y mecanismos del sueño se entienden sólo parcialmente, tanto es así que en la década de 1990 se dijo sarcásticamente: "La única función conocida de sueño es curar la somnolencia". Sin embargo, el desarrollo de mejores técnicas de imagen como EEG, PET y fMRI, junto con la alta potencia computacional, han llevado cada vez a una mayor comprensión de los mecanismos subyacentes del sueño.
Las preguntas fundamentales en el estudio neurocientífico del sueño son: ¿Cuáles son los correlatos de sueño, es decir, ¿cuál es el conjunto mínimo de eventos que podría confirmar que el organismo está durmiendo? ¿Cómo se activa y se regula el sueño por el cerebro y el sistema nervioso? ¿Qué ocurre en el cerebro durante el sueño? ¿Cómo podemos entender la función del sueño basados en los cambios fisiológicos en el cerebro? ¿Qué causa diversos trastornos del sueño y cómo pueden ser tratados? Otras áreas de investigación del sueño de la neurociencia moderna incluyen la evolución del sueño, el sueño durante el desarrollo y el crecimiento, el sueño de los animales, mecanismo de los efectos de las drogas en el sueño, sueños y pesadillas, y las etapas de la estimulación entre el sueño y la vigilia.
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Introducción
El sueño es un estado natural recurrente que se caracteriza por la disminución o ausencia de la conciencia, relativamente suspendida actividad sensorial, y la inactividad de casi todos los músculos voluntarios. En los mamíferos y las aves, el sueño se divide en dos tipos - de movimiento ocular rápido (REM) y el movimiento ocular no rápido (NREM o no-REM). El sueño NREM a su vez se divide en múltiples etapas - N1, N2 y N3. El sueño procede en ciclos de sueño REM y no REM, el orden normalmente siendo N1 N2 → → → N2 N3 → REM. NREM se considera el sueño profundo (la parte más profunda del sueño NREM se llama el sueño de onda lenta), y se caracteriza por la falta de movimiento del ojo prominente o parálisis muscular. Por otro lado, el sueño REM se considera más cerca de despertar y se caracteriza por el movimiento rápido de los ojos y atonía muscular. Es durante el sueño REM que se producen los sueños (o pesadillas).
La sincronización del sueño es controlada por el reloj circadiano, y en los seres humanos, en cierta medida por el comportamiento voluntario. El término circadiano proviene del latín circa, que significa "alrededor" (o "aproximadamente"), y diem o dies, lo que significa "día". El reloj circadiano se refiere a un mecanismo biológico que regula múltiples procesos biológicos causando que se muestre una oscilación endógena de 24 horas. Estos ritmos han sido ampliamente observado en plantas, animales, hongos y cianobacterias.
El sueño se considera una función esencial para los animales, a pesar de que todavía no se sabe la causa. Sin embargo, la privación del sueño puede conducir a consecuencias drásticas, y el sueño inadecuado puede conducir a somnolencia. También, dormir en cualquier momento del día no es equivalente y es más eficaz sólo cuando coincide con ciertos procesos biológicos.
Correlacionados del sueño
Una de las cuestiones importantes en la investigación del sueño es definir claramente el estado de sueño. Este problema surge porque el sueño se define tradicionalmente como un estado de conciencia y no como un estado fisiológico, por lo tanto, no existe una definición clara del mínimo conjunto de acontecimientos que representa el sueño y qué lo distingue de otros estados de conciencia parcial o nula. El problema de hacer una definición es complicada porque tiene que incluir una variedad de modos de sueño que se encuentran en diferentes especies.
A nivel sintomático, el sueño se caracteriza por la falta de reacción a los estímulos sensoriales, poca respuesta motriz, disminuye la percepción consciente y rápida reversibilidad al estado alerta. Sin embargo, para trasladar esto en una definición biológica es difícil porque no hay un solo camino en el cerebro responsable de la generación y la regulación del sueño. Una de las primeras propuestas fue definir sueño como la desactivación de la corteza cerebral y el tálamo por la poca o nula falta de respuesta a los estímulos sensoriales durante el sueño. Esto fue invalidado porque ambas regiones están activas en algunas fases del sueño. De hecho, se cree que el tálamo solamente se desactiva en el sentido de la transmisión de información sensorial a la corteza.
Algunas otras observaciones sobre el sueño son disminución de la actividad simpática, aumento de la actividad parasimpática en el sueño no-REM, el aumento de la frecuencia cardíaca y la presión arterial acompañado por disminución de la respuesta homeostática y el tono muscular durante el sueño REM. Sin embargo, estos síntomas no se limitan estados dormido y no representan definiciones fisiológicas específicas.
Recientemente, el problema de la definición se ha abordado mediante la observación de la actividad general del cerebro en forma de patrones de EEG característicos. Cada etapa del sueño y el despertar tiene un patrón característico de EEG que se puede utilizar para identificar la fase del sueño. Despertar se caracteriza generalmente por la beta (12-30 Hz) y gamma (25-100 Hz) dependiendo de si había una actividad pacífica o estresante.
El inicio del dormir implica la disminución de esta frecuencia hasta la somnolencia de la alfa (8-12 Hz) y finalmente a theta (4-10 Hz) de la Etapa 1 del sueño No-REM. Esta frecuencia disminuye progresivamente a través de las etapas superiores de No-REM y el sueño REM. Por otro lado, la amplitud de las ondas del sueño es menor durante el despertar (10-30μV) y muestra un aumento progresivo a través de las diversas etapas del sueño.
La etapa 2 se caracteriza por husos de sueño (conjuntos intermitentes de ondas de frecuencia de sigma es decir, 12 a 14 Hz) y complejos K (desviación aguda hacia arriba seguido de más lenta desviación hacia abajo). La etapa 3 del sueño tiene más husos de sueño. Las etapas 3 y 4 tienen ondas delta de muy alta amplitud (0-4 Hz) y se conocen como sueño de ondas lentas. El sueño REM se caracteriza por una baja amplitud, ondas de frecuencia mixtos. Un patrón de onda diente de sierra a menudo está presente.
Ontogenia y la filogenia del sueño miniaturadeimagen|Sueño animal: Un tigre blanco durmiendo. Las preguntas de cómo el sueño evolucionó en el reino animal y cómo se ha desarrollado en los seres humanos son especialmente importantes, ya que pueden proporcionar una pista de las funciones y mecanismos del sueño, respectivamente.
Evolución del sueño
El sueño (especialmente profundo SWS y REM) es un comportamiento difícil porque abruptamente aumenta el riesgo de depredación. Esto significa que para el sueño haya evolucionado, las funciones del sueño deberían haber proporcionado una ventaja sustancial sobre el riesgo que conlleva. De hecho, el estudio del sueño en diferentes organismos muestra cómo han equilibrado este riesgo evolucionando mecanismos parciales de sueño o teniendo hábitats de protección. Por lo tanto, el estudio de la evolución de sueño podría dar una pista no sólo a los aspectos y mecanismos de desarrollo, sino también una justificación de adaptación para el sueño.
Uno de los retos del estudio de la evolución del sueño es que la información adecuada sobre el sueño es conocida sólo para dos especies de animales - chordata y artrópodos. Con los datos disponibles, los estudios comparativos se han utilizado para determinar cómo el sueño podría haber evolucionado. Una pregunta que los científicos tratan de responder a través de estos estudios es si el sueño evolucionó sólo una vez o múltiples veces. Para entender esto, se ven en los patrones de sueño en diferentes clases de animales cuyas historias evolutivas son bastante conocidas y se estudian sus similitudes y diferencias.
Los seres humanos poseen sueño tanto de onda lenta y REM, en ambas fases ambos ojos están cerrados y los dos hemisferios del cerebro involucradas. El sueño también ha sido registrado en mamíferos distintos de los seres humanos. Un interesante estudio mostró que las equidnas poseen sueño de onda lenta única (no REM). Esto parece indicar que el sueño REM apareció en la evolución sólo después de los terios.
Pero esto luego fue cuestionado por los estudios que afirman que el sueño en equidnos combina ambas modalidades en un solo estado de sueño. Otros estudios han demostrado una forma peculiar del sueño en los odontocetos (como delfines y marsopas). Esto se llama el sueño unihemisférico de ondas lentas (USWS). En cualquier momento durante el estado dormido, el EEG de un hemisferio cerebral indica inactividad mientras que la del otro es equivalente a estar despierto. En algunos casos, el ojo correspondiente está abierto. Esto reducir el riesgo de depredadores y permite al animal dormir mientras nada, pero el animal también puede ser capaz de dormir en reposo.
Las correlaciones del sueño encontrados para los mamíferos son válidas para las aves, así decir, el pájaro del sueño es muy similar a los mamíferos e implica tanto SWS y el sueño REM con características similares, incluyendo el cierre de los dos ojos, bajo tono muscular, etc. Sin embargo, la proporción de sueño REM en las aves es mucho menor. Además, algunas aves pueden dormir con un ojo abierto si hay un alto riesgo de depredación en el medio ambiente. Esto da lugar a la posibilidad de dormir en vuelo; teniendo en cuenta que el sueño es muy importante y algunas especies de aves pueden volar durante semanas de forma continua, esto parece ser el resultado obvio. Sin embargo, dormir durante el vuelo no ha sido registrado, y hasta ahora no tiene datos de apoyo de EEG. Investigación adicional puede explicar si las aves duermen durante el vuelo o si existen otros mecanismos que garanticen su permanencia saludable durante los vuelos largos en la ausencia de sueño.
A diferencia de las aves, se han encontrado muy pocas características consistentes de sueño entre las especies de reptiles. La única observación común es que los reptiles no tienen sueño REM.
El sueño, en algunos invertebrados, también ha sido ampliamente estudiado, por ejemplo, el sueño en moscas de fruta (Drosophila) y las abejas. Algunos de los mecanismos del sueño en estos animales han sido descubiertos mientras que otros siguen siendo desconocidos. Las mayoría de las características que definen el sueño han sido identificadas, y como en los mamíferos, estas incluyen la reacción reducida a la entrada sensorial, la falta de respuesta motora en forma de inmovilidad antenal, etc.
El hecho de que ambas formas de sueño se encuentran en mamíferos y aves, pero no en reptiles (que son considerados una etapa intermedia) indica que el sueño podría haber evolucionado por separado en ambos. Los fundamentos de esto podrían ser dados por más investigaciones sobre si los correlacionados del sueño EEG están involucrados en sus funciones o si no son más que una característica. Esto podría ayudar aún más en la comprensión del papel del sueño en la plasticidad a largo plazo.
Desarrollo del sueño y crecimiento