La flexibilidad del cerebro: cómo la excitabilidad y la plasticidad de los circuitos cambian a lo largo del día

Tabla de contenido

Nuestro cerebro no reacciona de forma fija y mecánica como los circuitos electrónicos. Aunque veamos la misma escena a diario de camino al trabajo, lo que sentimos —y si deja huella— depende de nuestro estado interno en ese momento. Por ejemplo, el trayecto puede ser borroso si estamos demasiado cansados para prestar atención a lo que nos rodea.

Las ratas nocturnas son activas durante la noche y acumulan fatiga hacia el amanecer. Mediante la estimulación optogenética de neuronas corticales y el registro simultáneo del potencial de campo local (LFP), el estudio reveló que las respuestas neuronales eran más débiles antes del amanecer y más fuertes antes del atardecer, lo que indica un ritmo de aproximadamente 24 horas en la actividad cortical. Crédito y copyright de la imagen: Yuki Donen, Yoko Ikoma, Ko Matsui

*El ciclo de 24 horas que los humanos seguimos de forma natural es uno de los factores que moldean el entorno interno del cerebro. Estos ciclos fisiológicos internos surgen de la interacción entre el reloj circadiano intrínseco del cuerpo y el ciclo externo de luz-oscuridad que lo sincroniza. Sin embargo, hasta ahora se desconocía en gran medida cómo estas fluctuaciones diarias influyen en la química cerebral y afectan la excitabilidad y la plasticidad neuronal. Ahora, investigadores de la Universidad de Tohoku han observado directamente cambios en las respuestas de las señales neuronales en el cerebro de ratas nocturnas, en función de la hora del día.

Los hallazgos fueron publicados en Neuroscience Research.

Mediante optogenética, el equipo activó neuronas en la corteza visual de ratas y registró la actividad eléctrica resultante. Este método permitió cuantificar con precisión la respuesta neuronal. Descubrieron que estímulos neuronales idénticos provocaban respuestas diferentes según la hora del día. La actividad neuronal disminuía al amanecer y aumentaba al atardecer. Dado que las ratas son animales nocturnos, el amanecer representa el periodo posterior a una noche de actividad, durante el cual se preparan para dormir.

Para explorar el mecanismo subyacente que explica este fenómeno, los investigadores analizaron la adenosina, un neuromodulador que se acumula durante la vigilia y nos produce somnolencia. Al bloquear la acción de la adenosina, la actividad neuronal al amanecer se desinhibió y aumentó, lo que demuestra que la adenosina ayuda a regular la excitabilidad cortical a lo largo del día.

«La excitabilidad neuronal no es constante; depende del estado interno del cerebro», afirmó el profesor Ko Matsui de la Universidad de Tohoku, Japón. «Nuestros resultados demuestran que incluso neuronas idénticas pueden responder de manera diferente según la hora del día, un proceso regulado por moléculas como la adenosina que vinculan el metabolismo, el sueño y la señalización neuronal».

Registro de los ritmos diarios de las señales neuronales corticales. (A) En ratas Thy1-ChR2, se activaron optogenéticamente las neuronas corticales y se registraron los potenciales de campo local (PCL) en la corteza visual. (B) La pendiente de la tercera fase negativa del PCL fue mayor al atardecer que al amanecer, lo que indica respuestas más intensas durante la tarde. (C) Las señales promediadas durante tres días mostraron un patrón sinusoidal de aproximadamente 24 horas sincronizado con el ciclo luz-oscuridad. Crédito y copyright de la imagen: Yuki Donen, Yoko Ikoma, Ko Matsui

El equipo también examinó si la capacidad del cerebro para la potenciación a largo plazo (PLP), base celular del aprendizaje y la memoria, varía según la hora del día. Esto representa el potencial de metaplasticidad del cerebro (su capacidad para ajustar la facilidad con que cambian sus redes neuronales). Sorprendentemente, la estimulación óptica repetitiva indujo una mejora similar a la PLP al amanecer, pero no al atardecer. Esto resultó inesperado, ya que sugiere que, si bien la presión del sueño y la fatiga alcanzan su punto máximo al amanecer, el potencial metaplástico del cerebro se encuentra elevado en ese momento. Estos hallazgos indican que la capacidad del cerebro para reorganizarse sigue un ritmo diario, con periodos específicos más favorables para el aprendizaje y la adaptación.

«Estos resultados implican que nuestros cerebros tienen ventanas temporales que favorecen la adaptabilidad», explicó la investigadora principal Yuki Donen. «Saber cuándo el cerebro es más receptivo al cambio podría ayudar a optimizar el entrenamiento, la rehabilitación y las terapias basadas en la estimulación», dijo.

En los seres humanos, cuya actividad se concentra principalmente durante el día, la capacidad de aprendizaje y formación de memoria puede alcanzar su punto máximo durante el crepúsculo, justo antes del atardecer. En otras palabras, el mejor momento para estudiar o aprender algo nuevo podría ser antes de acostarse.

El estudio revela cómo los ritmos circadianos regulan el equilibrio entre la excitabilidad y la plasticidad en la corteza cerebral. Dado que los niveles de adenosina y la presión del sueño siguen patrones circadianos, este mecanismo podría sincronizar la adaptabilidad cerebral con ciclos conductuales como el descanso y la actividad. La investigación aporta nuevos conocimientos sobre cómo el cerebro coordina el uso de energía, la señalización neuronal y la capacidad de aprendizaje a lo largo del día.

Cita
#

El estudio Diurnal modulation of optogenetically evoked neural signals (Diurnal modulation of optogenetically evoked neural signals), fue publicado en Neuroscience Research. Autores: Yuki Donen, Yoko Ikoma & Ko Matsui
El artículo The Flexible Brain: How Circuit Excitability and Plasticity Shift Across the Day fue publicado hoy en el sitio web de la Universidad de Tohoku