Tu cerebro duerme parcialmente incluso cuando estás despierto: el hallazgo que cambiará la definición de "sueño"
Incluso mientras estamos despiertos, es posible que varias partes de nuestro cerebro estén tomando una breve siesta. Se ha revelado un sorprendente estudio que cambia la definición de ondas cerebrales y sueño.
Foto: Kseniya Ovchinnikova/Getty Images
El sueño es esencial para que los animales sobrevivan. En los seres humanos, todo el cerebro pasa aproximadamente un tercio del día durmiendo.
Por otro lado, algunas especies de animales tienen capacidades especiales para dormir. Por ejemplo, los delfines y las ballenas participan en un sueño hemisférico, en el que mantienen un ojo abierto y solo la mitad de su corteza cerebral duerme. Algunas especies de aves migratorias pasan por períodos cortos de sueño hemisférico durante el vuelo, especialmente durante decenas de segundos mientras viajan en corrientes ascendentes. ¿Crees que sería conveniente que los humanos pudiéramos dormir con un hemisferio?
Según un artículo publicado recientemente en la revista académica Nature Neuroscience, los organismos que pasan por un sueño global también pueden poner a dormir momentáneamente partes de su cerebro.
"Me sorprendió descubrir que diferentes partes del cerebro toman una pequeña 'siesta' cuando el cerebro está despierto", comenta el Dr. David Haussler, profesor de ingeniería biomolecular de la Universidad de California en Santa Cruz. "Por cierto, esto puede resultar sorprendente, pero en este fenómeno casi no hubo diferencias entre hombres y mujeres".
Buscando nuevos patrones de ondas cerebrales
El motivo de la investigación era encontrar nuevos patrones de ondas cerebrales. Las ondas cerebrales emitidas por las células nerviosas del cerebro son una actividad eléctrica débil y periódica que normalmente tiene una amplitud y una longitud de onda de 0.2 a 20 hercios. Sin embargo, esta investigación ha revelado que el milisegundo más corto (1/1000 de segundo) puede ser la unidad fundamental que representa los estados del cerebro durante el sueño y la vigilia.
El sueño y la vigilia se pueden distinguir por distintos estados de ondas cerebrales. En términos generales, cuando estamos despiertos, nuestras ondas cerebrales se mueven rápidamente y consisten principalmente en ondas beta (de 14 a 30 Hz) y ondas alfa (de 8 a 13 Hz), que tienen pequeñas amplitudes y longitudes de onda cortas. Por otro lado, durante el sueño, las ondas cerebrales se mueven lentamente y las ondas theta (4-7 Hz), que tienen una gran amplitud y una longitud de onda larga, aumentan y, a medida que el sueño se profundiza, las ondas delta (1-3 Hz) se vuelven predominantes.
Sin embargo, las ondas cerebrales no procesadas obtenidas mediante electroencefalogramas contienen una mezcla de ondas de varias frecuencias, y existe la posibilidad de que en ellas se esconda algo más que las características del sueño y la vigilia que hasta ahora se consideraban básicas. Un equipo de investigación conjunto de la Universidad de Washington en St. Louis y la Universidad de California en Santa Cruz entrenó una red neuronal para detectar patrones desconocidos en grandes cantidades de datos de ondas cerebrales. El equipo utilizó datos de ondas cerebrales de ratón que habían sido registrados y almacenados para entrenar la red neuronal.
Ratones con audífonos
Estas ondas cerebrales se recolectaron colocando unos auriculares livianos a los ratones y registrando la actividad en 10 regiones del cerebro durante varios meses. Se trata de una enorme cantidad de 1 petabyte (1 millón de veces 1 gigabyte) de datos, que rastrea voltajes incluso de pequeños grupos de neuronas con una precisión de microsegundos.
David Parks, estudiante de doctorado de la Universidad de California, Santa Cruz, introdujo estos vastos y complejos datos sin procesar en una red neuronal para ver si podía distinguir entre datos de sueño y vigilia. A través de este proceso, esperaban encontrar patrones que de otro modo se pasarían por alto al determinar los estados cerebrales utilizando el ojo humano.
Un descubrimiento que trastoca el concepto de ondas cerebrales
La frecuencia se refiere a la cantidad de ondas que se repiten en un segundo, por lo que comprender los patrones repetitivos de las ondas cerebrales naturalmente requiere datos durante un cierto período de tiempo. Pero, sorprendentemente, el modelo de red neuronal fue capaz de distinguir entre sueño y vigilia incluso a partir de unos pocos milisegundos (1/1000 de segundo) de datos de actividad cerebral. Este resultado fue muy contradictorio con los conceptos básicos enseñados en el plan de estudios de neurociencia durante muchos años.
Un descubrimiento asombroso
"Era como una persecución del gato y el ratón. Le pedía pruebas a David [Parks] y él me traía nuevas pruebas y decía: '¡Mira esto!' Desmantelar el concepto de sueño que se había ido construyendo a lo largo de los años, pero al mismo tiempo me resultaba difícil aceptarlo".
Para comprender cómo aprenden las redes neuronales, Parks tuvo que eliminar la información y las reglas de las ondas cerebrales etiquetadas por humanos una por una para descubrir cómo el modelo detectaba patrones. Esto se debe a que no podemos simplemente aceptar información de las redes neuronales que podría anular el concepto de sueño. Al final, pudieron examinar solo un milisegundo de datos cerebrales y la porción de mayor frecuencia de las fluctuaciones del voltaje cerebral.
Las señales instantáneas de sueño y vigilia descubiertas por el equipo de investigación se pueden comparar con las oleadas de espectadores en un estadio. Pensemos en el gran movimiento de la ola del estadio y el pequeño movimiento de los espectadores levantando la mano.
Los milisegundos de "sueño" detectados por la red neuronal son similares al movimiento de varias personas de pie y levantando las manos para iniciar una ola. Sin embargo, si los espectadores provocaron una gran ola, las acciones de solo unos pocos de ellos estuvieron directamente involucradas en el efecto dominó en todo el estadio.
En otras palabras, el modelo que entrenaron los investigadores demostró que los patrones de actividad ultrarrápidos entre unas pocas neuronas son fundamentales para dormir.
"Probablemente estemos analizando información con un nivel de detalle sin precedentes", sostiene Haussler. "Anteriormente se pensaba que las ondas de frecuencia lenta contenían toda la información importante. Sin embargo, este artículo analiza los detalles de alta frecuencia hasta tan solo un milisegundo, en lugar de depender de mediciones tradicionales. Esto muestra que el tejido contiene suficiente información para determinar si no está dormido. Esto sugiere que algo está sucediendo muy rápidamente durante el sueño. Es una prueba”.
La vigilia en el sueño y el sueño en la vigilia
A medida que los investigadores estudiaron más a fondo estos patrones de actividad neuronal hiperlocal, notaron otro fenómeno sorprendente. Incluso cuando el cerebro estaba dormido, se detectaron breves momentos de vigilia en determinadas partes del cerebro. Por otro lado, incluso estando despiertos, algunos de ellos podían quedarse dormidos por un momento. El equipo llama a este fenómeno "parpadeo" (flickering).
Este fenómeno llevó a los investigadores a observar en ratones cómo el "parpadeo" se relaciona con la función del sueño y cómo afecta el comportamiento del sueño y la vigilia. Luego, mientras el cerebro estaba despierto, parte del cerebro se quedó dormido momentáneamente debido al parpadeo, lo que provocó que el ratón se quedara quieto por un momento. Por el contrario, se observó que los ratones se contraían durante el sueño cuando se producía un parpadeo que despertaba parte del cerebro durante el sueño.
Normalmente, los ratones y los humanos alternamos entre ciclos de sueño REM y NREM, desde un estado despierto al sueño REM, donde se producen movimientos oculares rápidos, al sueño NREM, que es un sueño más profundo, y luego de nuevo al sueño REM. Pero el parpadeo apareció en todas partes en este ciclo.
"Esto viola las reglas del sueño que cabría esperar de 100 años de literatura", explica Hagen. "El sueño y la vigilia son estados macroscópicos que se pueden observar en todos los animales, y patrones locales rápidos que son las unidades de estado básicas del cerebro. Creo que este estudio ha aclarado la separación entre estos dos".
Comprender el parpadeo de la vigilia y el sueño nos ayudará a estudiar más a fondo las enfermedades neurodegenerativas y del neurodesarrollo. El equipo de investigación planea investigar más a fondo estos fenómenos utilizando organoides cerebrales, que son tejido cerebral cultivado.
Artículo originalmente publicado en WIRED Japón. Adaptado por Mauricio Serfatty Godoy.
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