Durante el sueño REM, el cerebro presenta una combinación inusual de fenómenos: el flujo sanguíneo aumenta y los niveles de un importante componente metabólico también se elevan, mientras que, al mismo tiempo, los niveles de ATP —la principal fuente de energía del cerebro— disminuyen en las células nerviosas. Investigadores de la Universidad de Tohoku han estudiado esta relación en ratones dormidos en tiempo real. Los resultados muestran que el cerebro comienza a prepararse para esta fase única incluso antes de que comience el sueño REM.

El cerebro debe funcionar con un presupuesto energético limitado

Dormir no significa en absoluto que el cerebro deje de funcionar. Al contrario: durante ciertas fases del sueño, la actividad del sistema nervioso cambia de forma radical. El sueño REM es especialmente llamativo; se caracteriza por movimientos oculares rápidos y suele asociarse con sueños especialmente vívidos.

Por ello, a esta fase del sueño también se la denomina «sueño paradójico». El cuerpo se encuentra en gran medida en un estado de rigidez muscular, mientras que la actividad cerebral, en muchos aspectos, se asemeja más al estado de vigilia. Esto plantea una pregunta interesante para los investigadores: ¿cómo suministra el cerebro energía a sus neuronas cuando la actividad cambia tan drásticamente en tan solo unos minutos? Un nuevo estudio publicado en Communications Biology ofrece algunas perspectivas sorprendentes al respecto. Los investigadores observaron en ratones que el suministro de energía del cerebro cambia incluso antes de la transición al sueño REM. Al mismo tiempo, el consumo real de energía de las neuronas parece seguir un patrón diferente.

Tanto el cerebro humano como el animal se encuentran entre los órganos del cuerpo que más energía consumen. Miles de millones de neuronas deben generar constantemente señales eléctricas, transmitir información y mantener sus conexiones entre sí. Estos procesos requieren energía. Un importante portador de energía es el ATP, abreviatura de trifosfato de adenosina. Las neuronas necesitan ATP, entre otras cosas, para restablecer su equilibrio iónico tras las señales eléctricas y para mantener la comunicación entre las células.

Al mismo tiempo, el cerebro solo dispone de una cantidad limitada de energía. Por lo tanto, el suministro de energía debe adaptarse con precisión a la actividad del momento. Es precisamente esta adaptación lo que interesa especialmente a los investigadores: ¿ajusta el cerebro su suministro de energía en función de su estado actual? La transición entre las diferentes fases del sueño ofrece un modelo especialmente adecuado para estudiar este fenómeno. Durante el sueño, la actividad, el flujo sanguíneo y el metabolismo cambian de forma característica.

Una mirada al interior del cerebro dormido

Para seguir directamente estos cambios, los investigadores desarrollaron un método que les permitió observar los cerebros de ratones dormidos. Para ello, recubrieron los cráneos de los animales con un material transparente curable por rayos UV. Esto permitió a los científicos utilizar técnicas de imagen para seguir la actividad y el flujo sanguíneo en el cerebro durante el sueño natural.

Mediante imágenes de fluorescencia de campo amplio, examinaron, entre otras cosas, los cambios en el volumen sanguíneo del cerebro. Esto proporciona información sobre cómo varía el suministro al tejido nervioso durante los diferentes estados de actividad. Además, los investigadores analizaron dos marcadores metabólicos. Uno de ellos era el ATP en las células nerviosas. El segundo era el piruvato en los astrocitos.

Los astrocitos son células no neuronales del sistema nervioso que participan, entre otras cosas, en el suministro y el mantenimiento de las células nerviosas. El piruvato, a su vez, es fundamental en importantes vías metabólicas y se produce, entre otras cosas, durante la descomposición de la glucosa. Por lo tanto, su concentración puede aportar información sobre cómo cambia el metabolismo energético en el cerebro. La combinación de estas mediciones permitió a los investigadores no solo observar la actividad cerebral, sino también hacer un seguimiento simultáneo de diversos aspectos de su metabolismo energético.

Cambios en el flujo sanguíneo incluso antes de la fase REM

Resultó de especial interés la transición del sueño no REM al sueño REM. Durante el sueño no REM se produce una actividad cerebral lenta característica. Entre otras cosas, los investigadores se centraron en las fluctuaciones en el rango de frecuencias theta. Estos cambios se asociaron con cambios posteriores en el volumen sanguíneo del cerebro. Sin embargo, lo más llamativo fue lo que ocurrió inmediatamente antes del sueño REM.

Unos 50 segundos antes del inicio, según la definición clásica, de la fase REM, el volumen sanguíneo en el cerebro comenzó a aumentar. El cambio se inició inicialmente en la región posterior de la corteza y luego se extendió hacia delante. Esto sugiere que la transición al sueño REM no comienza simplemente con un cambio repentino. Más bien, el cerebro parece prepararse para este estado con antelación. El aumento del flujo sanguíneo podría ayudar a adaptar el suministro al tejido neural activo a las demandas que se avecinan.

Más piruvato, pero menos ATP

Con el inicio del sueño REM, surgió entonces un patrón particularmente inusual. La concentración de piruvato aumentó en los astrocitos. Esto podría indicar que hay más sustrato metabólico disponible durante esta fase o que aumenta la actividad glucolítica de estas células. Al mismo tiempo, sin embargo, los investigadores observaron una disminución de los niveles de ATP en las células nerviosas.

A primera vista, esto parece contradictorio. Si fluye más sangre por el cerebro y, al mismo tiempo, aumenta un componente metabólico importante, cabría esperar que también hubiera más energía disponible de forma inmediata. Sin embargo, este no fue precisamente el caso en los ratones estudiados.

Más bien, los resultados sugieren que el suministro y el consumo de energía no discurren simplemente en paralelo durante el sueño REM. El cerebro puede aumentar su suministro de energía al tiempo que presenta niveles más bajos de ATP en las neuronas.

¿Consumen las células nerviosas cantidades especialmente grandes de energía mientras sueñan?

Una posible explicación es que las células nerviosas consuman una cantidad especialmente elevada de ATP durante el sueño REM. El sueño REM se asocia a cambios complejos en la actividad neuronal. Al mismo tiempo, se cree que desempeña un papel importante en la memoria y el procesamiento de la información. Por lo tanto, durante esta fase podrían estar teniendo lugar en las redes neuronales procesos que requieren un consumo energético especialmente elevado.

Por ejemplo, es concebible que exista una mayor demanda de energía para los cambios que se producen en las sinapsis. Las sinapsis son los puntos de contacto entre las neuronas y desempeñan un papel fundamental en el aprendizaje y el almacenamiento de información. La comunicación entre diferentes regiones cerebrales también podría influir durante el sueño REM. En concreto, se está estudiando la interacción entre el hipocampo y la corteza cerebral en relación con el procesamiento y la consolidación de los recuerdos.

Sin embargo, los nuevos hallazgos no demuestran que estos procesos específicos sean los responsables de la disminución observada de ATP. Los investigadores citan varios mecanismos posibles que deben examinarse más detenidamente en futuros estudios. Además del aumento del consumo, también es posible que se produzca un cambio en el transporte de sustancias dentro del cerebro. Los astrocitos y las neuronas colaboran estrechamente en el metabolismo energético. Los astrocitos pueden proporcionar subproductos metabólicos que las neuronas reutilizan. Si esta colaboración se altera durante el sueño REM, podría explicar por qué el aumento de piruvato en los astrocitos no conduce inmediatamente a niveles más altos de ATP en las neuronas.

Las mitocondrias también podrían estar implicadas. Estos orgánulos celulares producen una gran parte del ATP de las células. Los cambios en su actividad también podrían influir en la cantidad de ATP de la que disponen realmente las neuronas. A partir de los resultados actuales, aún no es posible determinar cuál de estas explicaciones es la correcta.

Al parecer, el cerebro empieza a prepararse incluso antes del sueño REM

El momento en que se produjeron las observaciones resulta especialmente interesante desde una perspectiva cronobiológica. El aumento del volumen sanguíneo comenzó aproximadamente 50 segundos antes de la transición al sueño REM. Esto sugiere que los cambios no surgen únicamente como reacción al estado REM que ya ha comenzado.

En cambio, es posible que el cerebro se esté preparando activamente para un cambio inminente de estado. La transición entre las fases del sueño no sería, por tanto, solo una consecuencia de la alteración de la actividad neuronal, sino posiblemente un proceso coordinado en el que el suministro de energía del cerebro también cambia de forma proactiva.

Esto concuerda con un principio fundamental de la sincronización biológica: los organismos no reaccionan exclusivamente a cambios que ya se han producido. Muchos procesos fisiológicos están coordinados temporalmente y pueden prepararse para un estado inminente.

Por qué estos hallazgos son interesantes para la investigación sobre el sueño

El sueño es mucho más que un período de descanso. Durante la noche, se alternan diferentes estados, cada uno con patrones característicos de actividad neuronal, metabolismo y flujo sanguíneo. El sueño REM ocupa un lugar especial entre ellos. Aunque los músculos están en gran parte en reposo, el cerebro muestra patrones complejos de actividad. Las nuevas observaciones añaden otra dimensión a este panorama: el metabolismo energético del cerebro también cambia durante la transición a esta fase del sueño. Queda claro que un «mayor suministro de energía» no significa automáticamente que las neuronas individuales dispongan de más ATP. El suministro, el metabolismo y el consumo real de energía pueden estar desincronizados. Son precisamente estas diferencias las que podrían ayudarnos a comprender mejor cómo el cerebro mantiene sus funciones en condiciones cambiantes.

Los resultados proceden de experimentos con ratones. Por lo tanto, muestran inicialmente cómo cambian los procesos metabólicos y circulatorios examinados en el cerebro de los ratones durante los diferentes estados de sueño. Queda por investigar si los procesos observados se producen de la misma manera en los seres humanos. Además, a partir de las mediciones no queda claro de inmediato qué papel específico desempeña la disminución observada del ATP en los sueños o en el procesamiento de la memoria. Tampoco está claro si los cambios son los mismos en diferentes condiciones de sueño, a diferentes edades o en otros estados fisiológicos.

Por lo tanto, futuros estudios podrían aclarar cómo cooperan entre sí los distintos tipos de células durante el sueño REM y cómo funciona la coordinación temporal entre la actividad neuronal, el flujo sanguíneo y el metabolismo. El estudio aporta así nuevas pruebas de que el cerebro regula su equilibrio energético de forma extremadamente dinámica durante el sueño. En particular, la transición al sueño REM parece estar asociada a un cambio preparatorio en el flujo sanguíneo y a una posterior reorganización del metabolismo.

La aparente paradoja —más indicios de suministro energético al tiempo que hay menos ATP en las células nerviosas— podría indicar que, durante el sueño REM, el cerebro depende en gran medida de una asignación flexible de sus recursos. Esto también deja claro por qué el sueño no es en absoluto una pausa pasiva para la función cerebral. Mientras dormimos, el cerebro cambia su estado operativo, reorganiza su actividad y ajusta su suministro de energía. El sueño REM demuestra de forma especialmente impresionante lo compleja que es en realidad esta regulación nocturna.