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Ritmos circadianos

enero 20, 2011

 

Seis meses bajo tierra

En 1972, Michel Siffre pasó seis meses recluido a treinta metros de profundidad en una cueva de Tejas. El aislamiento fue durísimo: la humedad echó a perder sus libros, el tocadiscos se averió, y su único compañero, un ratón, murió accidentalmente. El último día le faltó poco para morir a él: recibió una fuerte descarga eléctrica cuando, al parecer, la corriente de un rayo se derivó a través de los electrodos que registraban su ritmo cardiaco.

Nuestro hombre no se había encerrado en una cueva para salir en el libro Guiness, sino para hacer un experimento. Un experimento singular, porque él era su propio conejillo de indias.

Siffre quería estudiar los ritmos biológicos. Nuestra vida es cíclica, y el más notorio de todos los ciclos es el de vigilia/sueño, sincronizado con el de día/noche. Pero además, la actividad de todos los órganos del cuerpo sigue un ciclo de 24 horas. Esta periodicidad se traduce en una oscilación de la temperatura corporal (de casi 1ºC): alcanza un mínimo dos o tres horas antes de despertarse y un máximo por la tarde.

Tenemos pues tres ciclos: el de la consciencia (vigilia/sueño), el de la actividad orgánica (temperatura corporal) y el del ambiente (día/noche). Y se plantea por eso la cuestión de qué relación tienen. El ciclo de consciencia y el ciclo orgánico, ¿son tan sólo un subproducto del ciclo ambiente, o tienen entidad propia? Si no hubiera día ni noche, ¿seguiríamos durmiendo cada 24 horas?¿Seguiría variando la temperatura de nuestro cuerpo? Una manera de empezar a responder a estas preguntas es pasando unos meses en una cueva.

Pero hay maneras menos heroicas de hacerlo. Como es lógico, experimentos de este tipo se habían hecho en el laboratorio. Se había encontrado que, en ausencia de todo indicio del ciclo día/noche, tanto los animales como las plantas seguían viviendo según un ciclo, sólo que su duración no era exactamente de 24 horas: para los ratones era de 23,5 horas, para las mimosas, de 22 horas… Desde los monos a los microbios, todos los seres vivos mostraban estos ritmos circadianos (“de cerca de un día”) en sus hábitos de sueño, temperatura, y demás variables orgánicas. Quedaba por estudiar el hombre, y ahí fue donde Siffre se ofreció voluntario.

Su primera experiencia fue en 1962, cuando pasó dos meses en una cueva de los Alpes. Privado de toda referencia temporal, Siffre alternó de manera normal vigilia y sueño, y su temperatura osciló también con normalidad, sólo que sus días duraron 26 horas. No fue una experiencia agradable (cuando vio la luz, dijo sentirse “medio loco, como una marioneta descoyuntada”), pero proporcionó un resultado importante: la primera evidencia de que en el hombre, como los ratones o las mimosas, los ciclos circadianos tienen una entidad propia, independiente del ciclo día/noche ambiente.

¿Qué importancia tiene esto?¿Por qué volvió a encerrarse Siffre en una cueva diez años después?

Los péndulos simpáticos

pendulos.jpg
Péndulos simpáticos. Esta imagen está sacada de un artículo de Strogatz y Stewart en Scientific American. Merece la pena para enterarse del fascinante asunto de la sincronización en sistemas biológicos, en un contexto más amplio que el de los ritmos circadianos. Y aprovecho para dar crédito a Strogatz por su magnífico libro Sync, del que está sacado casi todo lo que estoy contando en esta serie.

 

Desde que Michel Siffre pasó dos meses en una cueva en 1962, numeros investigadores han estudiado los ritmos circadianos en el hombre. Uno de los resultados que se ha establecido es que, si bien casi siempre tienen un periodo de más de 24 horas, hay importantes diferencias individuales (lo que ha llevado a hablar de cronotipos).

Cuando hablamos aquí del periodo del ciclo circadiano nos referimos a su duración propia; la que tendría aislados en una cueva (en inglés, suele llamarse Free Running Period, FRP). En las circunstancias habituales, este periodo propio se acomoda al periodo ambiente de exactamente 24 horas. Es decir, nuestro “oscilador interno” (la actividad orgánica) adopta el periodo del “oscilador externo” (el ambiente).

Este fenómeno es conocido en física desde hace tiempo con el nombre de entrainment (que podríamos traducir por “arrastre” o “atrapamiento”): siempre que se dos osciladores de frecuencia similar interaccionan, sus frecuencias acaban sincronizadas.

La primera persona que describió el entrainment fue Christiaan Huygens, que observó que cuando dos relojes de péndulo se ponían cerca, ambos oscilaban en sincronía, con independencia de cómo empezaran la oscilación. La misteriosa “simpatía” entre los relojes desaparecía cuando se alejaban (según el DRAE: simpatía: 5. f. Fís. Relación entre dos cuerpos o sistemas por la que la acción de uno induce el mismo comportamiento en el otro).

En nuestro caso, el ciclo ambiente “arrastra” al ciclo fisiológico, forzando su periodo a 24 horas. Pero aunque todos los ciclos se vuelvan así de 24 horas, no lo hacen de la misma manera. Esto puede apreciarse bien en esta figura (zeitgeber es cualquier indicación temporales externa: aquí, la banda gris indica la noche; la oscilación sería la de la temperatura corporal):
entrainment.jpg

Se aprecia que en las personas con un ciclo circadiano (FRP) corto, el ciclo fisiológico queda adelantado en comparación con las de ciclo largo. Es decir, su temperatura alcanza el mínimo antes. Pero ese mínimo ocurre dos o tres horas antes de la hora “fisiológica” de despertarse. La mayoría de las personas (que tienen un FRP del tipo “largo”) tienen ese mínimo hacia las cuatro o las cinco de la mañana, y se despiertan a una hora razonable.

Pero la minoría con FRP corto lleva el reloj adelantado: tienen tendencia a despertarse pronto (y a acostarse pronto). Y hay otra minoría con FRP muy largo a la que el cuerpo les piede levantarse tarde (y acostarse tarde). Estos grupos son lo que se ha dado en llamar alondras y buhos, respectivamente. Quizá hayan oído hablar de esto, porque es una de esas nociones científicas que quedan bien en los suplementos dominicales y dan para charlar en el café: “yo es que no puedo levantarme pronto, pero no por vago: es que genéticamente soy un buho…”, etc (dos ejemplos aquí y aquí).

Resumiendo: el entrainment del ciclo circadiano con el ciclo ambiente fuerza a aquél a tener el periodo de 24 horas; pero aunque el periodo del ciclo es el mismo para todas las personas, la fase difiere según el cronotipo: alondra / normal / buho (ya sé que este resumen no aporta nada nuevo, pero ¿a que está bien poder decir una frase tan campanuda?)

Con esto ya entendemos mejor (eso espero) la importancia de los ritmos circadianos, pero seguimos sin saber qué pasó cuando Siffre volvió a la cueva. Que es precisamente lo más interesante.

La zona zombi

En todo lo que hemos visto hasta ahora sobre los ritmos circadianos, los seres humanos somos esencialmente iguales al resto de los seres vivos. Pero hay una diferencia crucial, que, observada por primera vez por investigadores alemanes, fue confirmada de modo espectacular en el segundo encierro de Siffre, los seis meses de 1972.

Al principio todo marchó como de costumbre: ciclos de vigilia/sueño de 26 horas, sincronizados con el ciclo de temperatura. En el día 37, sin embargo, ocurrió algo extraño. Siffre “trasnochó”, para dormir luego 15 horas seguidas. A partir de ahí, su patrón de sueño perdió aparentemente toda regularidad, incluyendo días de 40 ó 50 horas. Mientras, su temperatura corporal mantuvo, imperturbable, su ciclo de 26 horas. Los dos ciclos se habían desacoplado.

Este extraño fenómeno se ha llamado desincronización interna. En cuanto el sujeto empieza a vivir en la cueva, sus ciclos internos adoptan su periodo propio (Free Runing Period, FRP) y pierden la sincronía con el mundo exterior. Pero cuando pasan muchas semanas, sus ciclos de temperatura y sueño pierden también su sincronía. Esto es algo sorprendente (por ejemplo, desmiente la idea de que la temperatura baja durante el sueño por la inactividad del organismo). Pero quizá lo más curioso es que este estado sólo se ha encontrado en los seres humanos. Da la impresión de que sólo en nosotros el ciclo vigilia/sueño, el ciclo de la consciencia en definitiva, tiene una entidad que no se reduce a la fisiología.

Tras la experiencia de Siffre, la desincronización interna fue investigada sistemáticamente por E. Weitzman y C. Czeisler con voluntarios encerrados en un hospital de Nueva York. Era lógico su interés: el fenómeno era en sí un enigma, pero además parecía proporcionar una ventana nueva para entender toda la cuestión de los ritmos circadianos.

En efecto, mientras todo va al unísono, tenemos poca información. Cuando se desacopla el ritmo fisiólogico del ambiente, empezamos a aprender cosas nuevas, rasgos propios del ciclo fisiológico que estaban enmascados por su sincronización con el ambiente: por ejemplo, que persiste aunque no haya noche y día, o que su duración propia no son 24 horas. Análogamente, la desincronización interna promete revelar las características propias del sueño, al desacoplar su ciclo del fisiológico.
La idea es atractiva, pero al principio no se sacó nada en claro. Los patrones de sueño de los sujetos en desincronización interna parecían caóticos. Podían tener días de 50 horas y días de menos de 20, sin ninguna razón aparente (y quizá lo más asombroso es que los sujetos no se percibían nada anormal). Finalmente, Czeisler dio con la idea de los “raster plots” (los mapas de sueño de los que hablé aquí) y encontró por fin una regularidad.
strgtz2.jpg
El “raster plot” de la izquierda es el de un sujeto en desincronización interna (referencia aquí). Cada día es un tramo horizontal completo, los trazos negros son periodos de sueño, y los días sucesivos se ponen en renglones sucesivos. Al representarlos de esta manera, se ve que hay unas bandas prohibidas diagonales (marcadas en gris) en las que nunca comienza el sueño; esas bandas son paralelas a la línea de mínima temperatura corporal. A la derecha se han representado los mismos datos pero con un eje horizontal de 24,55 horas, que era el periodo del ciclo de temperatura del sujeto, de modo que las bandas prohibidas quedan verticales. Se puede ver también que los sueños largos comienzan a temperaturas altas; los cortos, a temperaturas bajas.
Una vez encontrada la clave de la relación estadística con la temperatura, Czeisler y sus colaboradores (entre ellos Strogatz, de quien he sacado la gráfica de abajo) pudieron establecer cómo depende la probabilidad de dormirse de la temperatura corporal.
zonazomb.jpg
Como puede verse, la probabilidad de caer dormido varía mucho a lo largo del ciclo de temperatura. Hay dos regiones características (zonas prohibidas) en las que es muy difícil dormirse, y otras dos de máxima somnolencia: las marcadas como “siesta” y “zona zombi“.

Esto puede parecer trivial hasta que uno cae en la cuenta de que los resultados se refieren a sujetos (a) desincronizados del ambiente y, además (b) en desincronización interna. Lo que define las cuatro regiones destacadas no es en absoluto la hora del día (hemos puesto en el eje x un valor convencional, razonable para un sujeto sincronizado con el ambiente) sino su posición en el ciclo de temperatura. De modo que el punto marcado como “siesta”, en virtud de (a), puede ocurrir a cualquier hora del día . Y en virtud de (b), puede ocurrir en cualquier punto del ciclo de sueño: al poco de despertarse o muchas horas después. La somnolencia en la siesta no tiene que ver por tanto con que hayamos comido mucho o estemos a mitad del día, sino con el reloj circadiano de temperatura corporal. Nos entra sueño porque está en la fase de subida de temperaturas y eso significa “sueño”.

Esto tiene consecuencias importantes, porque ese reloj es inamovible: recordemos que al estar expuestos al ciclo día/noche adquiría un periodo de 24 horas (“entrainment“) , pero su fase no era ajustable. De modo que el trabajador en un turno de noche no va a poder hacer el mismo horario que el trabajador en el turno de mañana, “cambiando a.m. por p.m.”. Por mucho que se levante a las 8 de la tarde, va a tener el diagrama de somnolencia de la figura de arriba. Tendrá problemas si se va a dormir a las 12 del mediodía: estará en la zona prohibibida de la mañana, y probablemente no conciliará el sueño. Deberá esperar a la hora de la siesta, y seguramente dormirá menos horas de las aconsejables. Peor aún, durante su trabajo atravesará la “zona zombi“, con su atención disminuida. Se ha demostrado que en ese periodo (más o menos entre tres y seis de la mañana) las estadísticas de accidentes se disparan: es la hora a la que ocurrieron las catástrofes de Bhopal, Chernobyl y Three Mile Island.

Pero hay más consecuencias. Strogatz relata un experimento en el que a un estudiante se le obligó a vivir con un día de 23,5 horas. La variación parece mínima, pero los resultados fueron muy notables: tenía problemas para dormir, y según fue transcurriendo el experimento, su insomnio se agravó. Llegó amenazar con dejar el experimento. El problema estaba en que el pequeño acortamiento empujó la hora de irse a la cama hacia la zona prohibibida de la tarde; al sincronizarse el ciclo de temperaturas con el ciclo ambiente, esa zona quedó anclada justo a la hora de acostarse. Finalmente, se acortó aún más el día, a 23 horas, y por fin encontró un alivio: el ciclo de temperaturas ya no pudo sincronizarse con un ciclo externo tan corto, y la zona prohibida perdió el ancla y empezó a “derivar” por el horario del sujeto.

Este experimento tiene relación con una curiosa asimetría del jet-lag: es mucho más llevadero cuando se viaja hacia el oeste que cuando se viaja hacia el este. Viajando hacia el oeste tenemos un día más largo, y eso (además de ir a favor del ritmo circadiano de la mayoría de las personas, que es de más de 24 horas) lleva la hora de dormir lejos de la zona prohibida de la tarde, hacia la zona zombi: no hay problema para conciliar el sueño. Viajando hacia el este el día se hace más corto, como el del infortunado estudiante del experimento.

Ahora podemos entender mejor por qué no es extraño que el cambio de hora tenga efectos de largo alcance, como ha encontrado T. Roenneberg. Y por qué el mini jet-lag producido por el cambio al horario de otoño (alargar una hora un día) se lleva mucho mejor que el producido por el cambio al horario de primavera (acortar una hora un día).

 

Fuente: http://pseudopodo.wordpress.com/

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