El sueño puede ayudarnos a olvidar reequilibrando las sinapsis cerebrales | Ciencias

Pasamos un tercio de nuestra vida durmiendo, pero todavía no sabemos exactamente por qué dormimos. Investigaciones recientes muestran que el cerebro hace sus tareas domésticas mientras dormimos y elimina sus desechos. Según otra hipótesis, el sueño juega el papel vital de restaurar el equilibrio correcto de las sinapsis cerebrales para mejorar el aprendizaje, y dos estudios publicados en la edición de hoy de Ciencias ahora proporcionar la evidencia más directa hasta ahora para esta idea.

Sabemos que dormir es importante para consolidar los recuerdos recién formados. Durante las horas de vigilia, aprendemos todo tipo de información nueva, tanto consciente como inconscientemente. Para almacenarlo, el cerebro modifica un gran número de conexiones sinápticas, haciéndolas más fuertes y más grandes, y ahora se piensa que mientras dormimos, otras sinapsis se debilitan o destruyen, de modo que la nueva información importante se almacena para su uso posterior, aunque irrelevante. el material, que podría interferir con el aprendizaje, no lo es.

Giulio Tononi sostiene que el fortalecimiento sináptico que acompaña al aprendizaje aumenta el consumo de energía del cerebro y puede sobrecargar su capacidad para procesar información. Su hipótesis de la homeostasis sináptica establece que el sueño renormaliza la fuerza general de las sinapsis en el cerebro, y que la «reducción de escala» a gran escala de las sinapsis tiene lugar cuando el cerebro está desconectado durante el sueño, para contrarrestar los aumentos que se producen durante el aprendizaje.

Tononi y su colaboradora a largo plazo Chiara Cirelli ya han demostrado que incluso períodos cortos de sueño o vigilia alteran la actividad sináptica en múltiples niveles y hacen que las sinapsis se encojan o crezcan, respectivamente. Su último estudio ahora parece mostrar que la reducción de escala sináptica generalizada tiene lugar en el cerebro de los ratones mientras duermen.

El nuevo trabajo, dirigido por la investigadora asociada Luisa de Vivo, consistió en recolectar los cerebros de cuatro ratones que acababan de dormir, cuatro que se habían mantenido despiertos para jugar con juguetes nuevos y cuatro que se habían quedado despiertos solos y utilizaron una técnica. llamada microscopía electrónica de barrido de cara de bloque en serie para crear imágenes tridimensionales de alta resolución de casi 7.000 conexiones sinápticas en dos regiones diferentes de la corteza cerebral, una tarea que tardó más de cuatro años en completarse.

Los investigadores examinaron miles de imágenes para calcular el área de superficie total de contacto entre las terminales nerviosas y las espinas dendríticas, las diminutas protuberancias en forma de dedos que sirven como el extremo receptor de las sinapsis cerebrales y que crecen cuando las sinapsis se vuelven más fuertes.

Descubrieron que se redujo en aproximadamente un 18% en los ratones que habían dormido en comparación con los que habían permanecido despiertos; en otras palabras, hubo una disminución general en el número de conexiones sinápticas. Y en lugar de ser uniforme, la reducción de escala se restringió a las espinas pequeñas y se salvó de las más grandes que presumiblemente estaban involucradas en el aprendizaje, de acuerdo con la idea de que las conexiones sinápticas se reducen durante el sueño.

El segundo estudio proporciona más evidencia para la hipótesis de la homeostasis sináptica y también apunta a los mecanismos moleculares subyacentes a la reducción de escala.

Graham Diering de la Universidad Johns Hopkins y sus colegas investigaron cómo las sinapsis son alteradas por el ciclo de sueño / vigilia, utilizando imágenes de dos fotones para visualizar proteínas sinápticas marcadas con fluorescencia en los cerebros de ratones vivos, y métodos proteómicos para purificar y analizar las proteínas de espinas dendríticas.

Descubrieron que el sueño está asociado con una disminución en el tamaño de las espinas dendríticas y con una reducción de aproximadamente un 20% en los niveles de una molécula llamada receptor AMPA, que se eliminan de las espinas encogidas. Cuando los ratones están despiertos, una proteína de andamio sináptica llamada Homer une a otros receptores y sus socios moleculares en un complejo que mantiene en su lugar en la sinapsis debajo de la membrana celular. Durante el sueño, una variante abreviada llamada Homer1a ingresa a las espinas dendríticas para desmontar estos complejos e impulsar la eliminación de los receptores AMPA, lo que contrae y debilita la conexión.

También crearon ratones modificados genéticamente que carecen del gen Homer1a. Estos animales dormían como sus compañeros de camada ordinarios, pero la composición de proteínas de sus espinas dendríticas no cambió, lo que confirma que Homer1a juega un papel crucial en la activación de la reducción de escala sináptica.

Finalmente, los investigadores entrenaron a ratones para asociar una ubicación particular con descargas eléctricas leves y luego inyectaron a algunos de ellos con una sustancia química que evita que Homer1a ingrese a las espinas dendríticas. Luego transfirieron a los ratones a un nuevo entorno. Los ratones no tratados exploraron su nueva ubicación libremente, pero aquellos a los que se les inyectó la sustancia química se acurrucaron en la esquina, un comportamiento indicativo de miedo y ansiedad, lo que sugiere que tenían recuerdos intrusivos de las descargas que habían recibido antes.

Juntos, estos estudios proporcionan la evidencia más convincente hasta ahora para la hipótesis de la honmeostasis sináptica. Ayudan a explicar por qué el sueño es beneficioso para la función mental y por qué “dormir sobre él” puede ayudarnos a pensar con más claridad.

Sin embargo, quedan muchas preguntas. ¿Cómo, por ejemplo, se reducen las sinapsis? Sabemos que las células inmunes llamadas microglía ‘podan’ las sinapsis, pero ¿también participan en la reducción de escala? ¿Cómo se relaciona la reducción de escala sináptica con la actividad neuronal asociada con el aprendizaje y la memoria? ¿Y cómo contribuye a la consolidación de la memoria?

Referencias

de Vivo, L., et al. (2022). Evidencia ultraestructural de escalado sináptico a lo largo del ciclo de vigilia / sueño. Ciencias, 355: 507-10.

Diering, GH, et al. (2022). Homer1a impulsa la reducción homeostática de las sinapsis excitadoras durante el sueño. Ciencias, 355: 511-15.

Mo Costandi se formó como neurobiólogo del desarrollo y ahora trabaja como escritor científico independiente. Su trabajo ha aparecido en Nature, Science y New Scientist, entre otras publicaciones. También es autor de Neuroplasticity (MIT Press, 2022) y 50 Human Brain Ideas You Really Need to Know (Quercus, 2013).