Control químico del sueño
El sueño es un proceso regulado, es decir, si a un organismo se le priva de sueño de ondas lentas o de sueño REM, cuando se le permita dormir recuperará al menos una parte del sueño perdido.
Además, la cantidad de sueño de ondas lentas que tiene una persona en la siesta se descuenta de la cantidad de este tipo de sueño que tendrá durante la noche. Estos hechos sugieren que hay un mecanismo fisiológico que controla la cantidad de sueño que necesita el organismo.
La explicación más sencilla es que el organismo produce una sustancia que induce el sueño, que va acumulándose y se elimina durante el sueño. Dado que la privación de sueño REM produce una deuda de sueño independiente, ha de haber dos sustancias, una para cada tipo de sueño.
Si el sueño está controlado por sustancias químicas, éstas se producen en el interior del cerebro y actúan allí. Algunos autores sugirieron que el neurotransmisor “adenosina” podría desempeñar una importante función en el control del sueño.
Los astrocitos mantienen una pequeña reserva de nutrientes en forma de glucógeno, en periodos de aumento de la actividad cerebral se convierte en combustible para las neuronas. Una vigilia prolongada causa una disminución de glucógeno, que provoca a su vez el aumento de adenosina.
El incremento hace efecto inhibidor sobre la actividad neural. La acumulación de adenosina actúa como una sustancia que induce el sueño. Durante el sueño No-REM las neuronas descansan y los astrocitos renuevan el almacén de glucógeno. Si la vigilia se prolonga, se acumula más adenosina y produce efectos cognitivos y emocionales observados en estudios de privación del sueño.
Control neural del arousal
El estado de vigilia tampoco es uniforme, algunas veces estamos alerta y atentos mientras que otras veces apenas nos damos cuenta de lo que ocurre. Pero incluso cuando no estamos somnolientos, nuestro nivel de alerta puede variar. Por ejemplo cuando vemos algo muy interesante sentimos que nos activamos.
Circuitos de neuronas que segregan al menos 5 neurotransmisores diferentes intervienen en algún aspecto de la alerta y la vigilia de un animal (lo que se denomina arousal o nivel de activación).
Acetilcolina
Es uno de los principales neurotransmisores implicados en el nivel de activación. El hipocampo y el neocórtex son dos regiones cuya actividad se relaciona estrechamente con el nivel de alerta y activación de un animal. Los niveles de Ach en estas regiones son altos tanto durante la vigilia (tranquila y activa) como durante el sueño REM; pero bajos durante el sueño No-REM (sueño de ondas lentas).
Noradrenalina
De las neuronas del locus coeruleus surgen axones con abundantes ramificaciones que liberan noradrenalina. La actividad de las neuronas noradrenérgicas está muy relacionada con la activación comportamental. Así, la frecuencia de descarga de estas neuronas (alta durante la vigilia y baja en sueño No-REM y casi nula con sueño REM) aumentó segundos después del despertar. La mayoría de los investigadores opinan que la actividad de las neuronas noradrenérgicas del LC refuerza la vigilia de un animal, su capacidad para prestar atención a los estímulos del entorno.
Serotonina
Interviene asimismo en la activación de la conducta. Casi todas las neuronas serotoninérgicas del cerebro se localizan en los núcleos del rafe. La estimulación de estos núcleos produce actividad locomotora y arousal cortical; mientras que la PCPA (sustancia química que impide la síntesis de serotonina) reduce el arousal cortical. Una contribución específica de las neuronas sertoninérgicas a la activación es la de facilitar los movimientos automáticos y continuos.
Por otra parte, cuando un animal está dando respuestas de orientación a un estímulo nuevo, la actividad de las neuronas serotoninérgicas se reduce.
Estas neuronas al igual que las noradrenérgicas, alcanzan su máxima actividad durante la vigilia, su frecuencia de descarga disminuyó durante el sueño de ondas lentas y se redujo casi a cero durante el sueño REM. No obstante, finalizado este periodo REM las neuronas vuelven a activarse marcadamente durante un cierto tiempo.
Histamina
Las neuronas histaminérgicas se sitúan en el núcleo tuberomamilar (NTM). Las proyecciones a la corteza cerebral aumentan directamente la activación cortical y el arousal; mientras que las proyecciones a las neuronas colinérgicas del prosencéfalo basal y la protuberancia dorsal lo hacen indirectamente aumentando la liberación de Ach en la corteza. La actividad es alta en la vigilia, baja en el sueño de ondas lentas y durante el sueno REM. Además la inyección de fármacos que impiden la síntesis de histamina o bloquean sus receptores, disminuye la vigilia y reduce el sueño.
Orexina
La orexina ejerce un efecto excitador, cuyas neuronas proyectan sus axones a casi todo el cerebro. Las neuronas descargan con alta frecuencia durante el estado de alerta o vigilia activa y con una frecuencia más baja durante los estados de vigilia tranquila, sueño No-REM y sueño REM. La frecuencia de descarga más alta se dio en actividades de exploración.
Control neural del sueño de ondas lentas
El nivel de actividad cerebral está controlado en gran medida por cinco grupos de neuronas de arousal. Un alto nivel de actividad de estas neuronas nos mantiene despiertos y un nivel bajo nos lleva al sueño. Algunos pacientes duermen tan solo unas cuantas horas al día, aunque se sentían cansados les costaba dormirse: Von Economo informó de que padecían una lesión en la región anterior del hipotálamo. Esta región llamada área preóptica es la más implicada en el control del sueño. Aquí hay neuronas cuyos axones hacen sinapsis inhibidoras con las neuronas cerebrales del arousal. Cuando nuestras neuronas preópticas (o neuronas del sueño) se activan, suprimen la actividad de las neuronas del arousal y nos quedamos dormidos. La lesión de esas neuronas suprime el sueño (como les pasaba a esos pacientes) y su actividad aumenta durante el sueño.
Las neuronas del sueño del área preóptica reciben aferencias inhibidoras de las mismas regiones que ellas inhiben (así, la histamina, la serotonina y la noradrenalina las inhiben).
Esta inhibición mutua puede aportar la base para los periodos de sueño y de vigilia. La inhibición recíproca caracteriza a un circuito electrónico conocido como mecanismo flip-flop; que puede estar encendido o apagado. Así pues, o las neuronas del sueño están activas e inhiben a la neuronas de la vigilia, o bien las neuronas de la vigilia están activas e inhiben a las neuronas del sueño. La ventaja de un mecanismo oscilador está en que cuando cambia de un estado a otro, lo hace rápidamente. Sin embargo, pueden ser inestables como en las personas que sufren narcolepsia.
Hay dos factores que controlan la somnolencia: el momento del día y la cantidad de tiempo que nuestro cerebro ha estado despierto y activo.
El reloj biológico interno controla el ritmo diario de vigilia-sueño. Se libera adenosina cuando las neuronas están metabólicamente activas, la acumulación de adenosina provoca somnolencia y sueño.
El envejecimiento ejerce un efecto perjudicial sobre la calidad del sueño: el sueño se interrumpe más, aumentan los despertares nocturnos y disminuye la cantidad de actividad delta. Los autores observaron que la administración de adenosina o de un antagonista de ésta tenía menor efecto en el sueño de los animales de más edad. Sugirieron que una cantidad reducida de receptores de adenosina en el área preóptica podría ser la causa de la reducción de sensibilidad.
Durante el periodo de vigilia del ciclo día-noche, las neuronas orexinérgicas reciben una señal excitadora del reloj biologico que controla los ritmos de vigilia y sueño. Estas neuronas reciben también señales de mecanismos cerebrales que controlan el estado de nutrición. De modo que las neuronas orexinérgicas mantienen el estado de arousal durante los momentos en los que el animal tiene que buscar comida.
Control neural del sueño REM
El sueño REM está controlado por un mecanismo flip-flop similar al que controla los ciclos de sueño y vigilia. Este mecanismo controla los ciclos de sueño REM y de sueño de ondas lentas. Así una región de la protuberancia dorsal contiene neuronas REM-ON y una región del mesencéfalo dorsal contiene las neuronas REM-OFF. Ambas regiones están interconectadas por neuronas gabérgicas inhibidoras.
La estimulación de la región REM-ON induce la mayoría de los fenómenos que componen al sueño REM mientras que la inhibición con agonistas GABA altera el sueño REM. Por contra, la estimulación de la región REM-OFF suprime el sueño REM y el daño de ésta región (o una infusión de agonistas GABA) aumentan espectacularmente el sueño REM.
A medida que progresa el sueño, la actividad de las neuronas noradrenérgicas y serotoninérgicas disminuye gradualmente. Se suprime en consecuencia el input excitador a la región REM-OFF, el flip-flop se inclina hacia la posición ON y comienza el sueño REM. Un reloj interno controla la alternancia de los periodos de sueños REM y de sueño de ondas lentas sucesivos.
El hecho de que en nuestro cerebro haya un complejo mecanismo cuya única función es mantenernos paralizados mientras dormimos sugiere que los componentes motores de los sueños son tan importantes como los componentes sensitivos. Quizá la práctica que nuestro sistema motor adquiere durante el sueño REM nos ayuda a mejorar nuestra ejecución de conductas que hemos aprendido durante el día. La inhibición de las neuronas motoras de la médula espinal impide que los movimientos que se practican en el sueño ocurran realmente, con la excepción de algunas sacudidas musculares inofensivas de pies y manos.