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Funciones del Sueño
Alicia Costa, Ph.D. Laboratorio de Neurobiología del Sueño
Depto. Fisiología
Facultad de Medicina, UdelaR.
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Bed of Dreams by Kathy Ostman-Magnusen
¿Qué es el sueño?
¿Para qué dormimos?
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¿Cuál es el valor evolutivo del sueño?
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Filogenia C. elegans (nematodo)
Drosophila M. (artrópodo)
Calamar (cefalópodo)
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Fractal by longan drink
Puede ser descrito y definido en diferentes niveles de organización.
(Células; circuitos locales; cerebro; organismo)
La función puede ser investigada en un amplio rango de escalas temporales
y espaciales, en diferentes niveles de organización funcional.
El sueño es un fenómeno atípico
El encare guía las teorías sobre sus funciones
La función del sueño podrá comprenderse mejor a través de un análisis que
integre los diferentes niveles de organización y tenga en cuenta su valor
evolutivo
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• Parámetros utilizados para definir el sueño dependen de potenciales sinápticos y potenciales de acción neuronales (EEG, EMG, EOG)
• Células excitables
¿Dónde surgió el primer indicio de lo que llamamos sueño?
Función universal del sueño debe estar confinada a organismos que presenten
células excitables que interaccionen entre sí
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• Propiedad emergente a partir de redes neuronales pequeñas.
• Es independiente de la anatomía del organismo
• Sirve una función a nivel de pequeñas redes
Filogenia
C. elegans (nematodo)
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• Considerando al sueño como fenómeno local de redes
• Como fenómeno de todo un organismo
¿Cómo acercarnos a la función del sueño?
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• Columnas corticales
• Oscilan entre estados tipo sueño y vigilia (reversible)
• Salida de la red depende del estado S ó V
• Homeostasis
• Independiente del estado global del animal
• Su estado puede afectar performance cognitiva del animal
• Cultivos mixtos neurona/glía
• Neuronas oscilan en patrones de descarga(brotes/pausa)
• Estimulación genera expresión génica similar a vigilia
• Homeostasis
Sueño como fenómeno local en pequeñas redes
Evidencias
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• Teoría de redes
• Función: conectividad
• Teoría celular
• Función: recuperación almacenamientos energéticos (ATP, glucógeno)
• No excluyentes
• Bioquímica y metabolismo celular modulado por la actividad de la red
• Metabolitos celulares (ATP, adenosina, glutatión: hipnogénicos)
Sueño como fenómeno local
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J.M. Krueger et al. / Sleep Medicine Reviews 28 (2016) 46-50
La actividad celular genera cambios en moléculas vinculadas con la homeostasis del
sueño y la conectividad neuronal
Sueño como fenómeno local Ejemplo
Entrada Salida
Cambio de la
Eficacia sináptica
Cambia el
estado de la
red
neuronal
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Alternancia de estados activos e inactivos a nivel de neuronas y redes
Vyazovskiy and Harris. Nat Rev Neurosci. 2013 June ; 14(6): 443–451.
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• Considerando al sueño como fenómeno local de redes (lo visto previamente)
• Como fenómeno de todo un organismo
¿Cómo acercarnos a la función del sueño?
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“Sleep remains a scientific enigma.
It is the last major physiological process for which there is a lack of
consensus concerning its function.”
Krueger 2015
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• Criterio comportamental
• Postura característica
• Quietud comportamental
• Elevado umbral para el arousal
• Rápidamente reversible
• Cambios en la actividad neuronal a nivel central
Definiendo el sueño..
• Regulación homeostática:
• Compensación con duración o intensidad luego de pérdida o carencia de sueño
• Homeotermos:
• Aparece sueño REM
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• Ocurre luego de NREM
• Termorregulación ausente
• Movimientos oculares rápidos
• Atonía muscular generalizada
• EEG tipo vigilia
• Ensoñaciones
REM
• Inmovilidad general
• Respiración regular
• Frecuencia cardíaca regular
• EEG con ondas lentas y gran amplitud (SWS)
NREM
Animales homeotermos
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• Conservación de la energía
• Contribuye a función inmune
• Restauración post-vigilia
• Restauración tisular (hormona de crecimiento)
• Fuentes de energía cerebral
• Depuración cerebral (sistema glinfático)
• Restaurar performance luego vigilia prolongada
• Conectividad y plasticidad neuronal
Posibles funciones del sueño NREM Teorías
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Aportes desde la privación de sueño
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• Vigilia prolongada
• Aumenta propensión al sueño
• Somnolencia
Privación
• Aumenta intensidad y/o duración del sueño subsiguiente
Rebote de sueño
• Nivel Comportamental:
• Latencia al sueño
• Somnolencia
• Performance cognitiva
• Nivel Neuronal y de Circuitos:
• Cambios bioeléctricos
• Expresión génica
Parámetros
Privación de sueño: metodología
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El sueño es de vital importancia
Teoría de la restauración post-vigilia
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Teoría de la restauración post-vigilia
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SEMINARS IN NEUROLOGY/VOLUME 25, NUMBER 1 2005
Teoría de la restauración post-vigilia
•Microsueños
•Lapsus cognitivos
•Humor
•Performance cognitiva
•Funciones motoras
•Función ejecutiva:
Corteza prefrontal
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Basada en
-Sueño está regulado homeostáticamente (Borbely 1982)
-Postulado “cuanto más activa la vigilia, más profundo el sueño” (Daan et al., 1984)
-La “presión de sueño” disminuye en proporción a su duración e intensidad
Teoría de la restauración post-vigilia
El sueño es “homeostáticamente regulado”, su falta debe ser compensada
por un aumento subsiguiente en su intensidad, duración o ambos (rebote)
(Tobler, 1983; Zimmerman et al., 2008)
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Curso temporal de sueño de ondas lentas y husos de sueño en
condiciones basales y luego de privación de sueño
PR
IVA
CIÓ
N d
e 3
6h
s
Teoría de la restauración post-vigilia
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Xie et al. Science 2013. Vol. 342 no. 6156 pp. 373-377
Teoría de la restauración post-vigilia
Homeostasis metabólica: glinfático
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Aportes desde la filogenia
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BODY SIZE appears to be a major determinant in the amount of sleep that a species needs. In general, the larger the animal, the less sleep it requires. Data suggest that one of the functions of sleep is to repair damage to brain cells. The higher metabolic rates of small animals lead to increased cellular injury and may, consequently, require more time for repair.
Zarigüeya Hurón Gato Perro Humano Elefante 18 14.4 12.5 10.1 8 3
24
Ho
urs
Siegel, 2008
Claves del tamaño corporal y cantidad de sueño
Filogenia: Teoría de la restauración post-vigilia
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• Relación inversa entre masa corporal y tasa metabólica- masa específica (consumo de O2/gr de tejido)
• Animales pequeños tienen elevada tasa metabólica
• Animales grandes tienen bajas tasas metabólicas
• Elevadas tasas metabólicas producen altos niveles de especies reactivas del oxígeno.
• La privación de sueño aumenta el estrés oxidativo en varias regiones cerebrales (Eiland, et al., 2002; Ramanathan et al., 2002; Everson etal., 2004)
Masa corporal, metabolismo y sueño
Hipótesis : Animales con elevadas tasas metabólicas necesitan
periodos de sueño más prolongados como mecanismo protector
(Zimmerman et al., 2004)
Filogenia: Teoría de la restauración post-vigilia
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• N-REM
• En mayoría de neuronas por menor tasa metabólica
• Excepción cerebro anterior basal
• REM
• En sistemas monoaminérgicos (NA, 5-HT, His) REM-off
• Restauración y además evitar desensibilización receptores
Estrés oxidativo
Restauración celular
Teoría de la restauración post-vigilia
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“The best way for a physiologist to lose his
reputation is to advocate a function for
paradoxical sleep.”
Jouvet 1998
Posibles funciones del sueño REM
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REM: Ontogenia Consideraciones desde el desarrollo
JA Hobson, 2009. Nature Reviews Neuroscience 10, 803-813
REM es mayor en etapas tempranas de la vida
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REM: Filogenia Consideraciones según desarrollo de crías al nacer
Crías altriciales vs crías precosiales
Mayor predictor de cantidad de sueño REM en el adulto es el grado de
inmadurez de la cría al nacer
5.8-8 h/día en el platypus 0h/día en el delfín
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Michel Jouvet:
• REM en animales inmaduros sustituiría la estimulación externa que promueve el desarrollo en crías que son maduras al nacer
• Establecería conexiones neuronales programadas genéticamente que hacen posible el comportamiento instintivo
REM: Ontogenia y Filogenia
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• Ayuda a lograr una vigilia mejor adaptada al entorno (homeotermos vs poiquilotermos)
• Nivel de alerta mayor cuando vigilia es precedida por REM que por NREM
REM: Filogenia
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Alternancia cíclica de estados
•Primeros ciclos dominados por SWS
•Últimos ciclos dominados por REM.
REM: preparación para vigilia
Hipótesis:
Activación cerebral periódica..
..vigilia más eficiente
Björn Rasch, Jan Born
Physiological Reviews Published 1 April 2013 Vol. 93 no. 2, 681-766
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REM y los
ensueños
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Jouvet 1999:
• Reprogramación genética de las redes neuronales de la corteza (refuerza o elimina conexiones)
• Mantenimiento de la conducta instintiva/ individualidad
• Crick & Michison 1983
• “Reverse learning” or “Dream to forget”
REM y los ensueños
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REM y los ensueños
REM: estado de protoconciencia, de realidad virtual del mundo que es útil para el
desarrollo y mantenimiento de la conciencia en vigilia
Teoría de protoconciencia
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La inspiración llegó en un sueño.. Otto Lowei Neurotransmisión química
The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1936 was awarded jointly to
Sir Henry Hallett Dale and Otto Loewi "for their discoveries relating to
chemical transmission of nerve impulses"
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Friedrich August Kekulé Estructura atómica circular del benceno
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Sueño y consolidación de la memoria
Stickgold & Walker; Nat Neurosci. 2013 Feb;16(2):139-45
M. DECLARATIVA:
SWS y REM involucrados en consolidación de memoria declarativa con contenido emocional
M. PROCEDUAL:
Aprendizaje motor: S2 NREM
Aprendizaje percepción visual: SWS y REM (noche o siesta)
Aprendizaje auditivo: SWS y Rem (noche de sueño)
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Nueva teoría unificadora:
“The energy allocation function of sleep”
M.H. Schmidt / Neuroscience and Biobehavioral Reviews 47 (2014) 122–153
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M.H. Schmidt / Neuroscience and Biobehavioral Reviews 47 (2014) 122–153
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• Sueño es vital
• Teorías
• Sueño como fenómeno local: red
• Sueño del organismo entero
• Animales homeotermos: aparece REM
• Posibles funciones de cada etapa de sueño: aportes desde privación de sueño, filogenia, ontogenia, memoria
• Teoría sobre función en Energy allocation del sueño
Punteo final