Sueño profundo: divorcio temporal de la red cerebral por defecto

"Los ricos también lloran", dice un refrán popular. La separación pasa hasta en las mejores familias...hasta en las familias integradas y coherentes que forman funcionalmente las regiones cerebrales. Esta "separación" o desintegración funcional es temporal y parece ocurrir durante la fase más profunda del sueño y entre regiones que pertenecen a la famosa familia "red cerebral por defecto" o default-mode network. 

fMRI de las áreas cerebrales que conforman la red cerebral por defecto. Autor: John Graner, Neuroimaging Department, National Intrepid Center of Excellence, Walter Reed National Military Medical Center, Bethesda, MD, USA. Creative Commons.

En 2009, Silvina G. Horovitz, Allen R. Braunc, Walter S. Carrd, Dante Picchionie, Thomas J. Balkine, Masai Fukunagab y Jeff H. Duyn, en Estados Unidos, se preguntaron si la reducción de la conciencia que se da durante el sueño profundo, está asociada a un cambio en una red cerebral que soporta la reflexión, la ensoñación diurna, la planeación, etc. Estos investigadores reportaron un estudio fascinante en el cual utilizaron resonancia magnética funcional para mostrar que una reducción natural, inducida por el sueño, de la conciencia, se refleja en la correlación alterada entre componentes de la red cerebral por defecto (o DMN, por sus siglas en inglés); especialmente en la reducción de la implicación de la corteza frontal. Estos resultados, según los autores, sugieren que la DMN puede jugar un papel importante en el sostenimiento de la conciencia.

Introducción

Horovitz et al. comienzan su artículo explicando que un nivel importante de la actividad cerebral ocurre en ausencia de comportamiento evidente o relacionado con alguna tarea. En particular, hay una red de regiones cerebrales cuya actividad se incrementa en ausencia de tareas cognitivas demandantes: la red cerebral por defecto (o DMN, por sus siglas en inglés). 

Horovitz et al. justifican su estudio en estudios recientes que han demostrado que la conectividad de la DMN persiste aún durante sueño ligero, quizás debido a la persistencia de pensamientos de auto-reflexión, los cuales no cesan de manera abrupta sino que disminuyen gradualmente a medida que nos quedamos dormidos, al punto de estar virtualmente ausentes durante los períodos más profundos del sueño. 

Adicionalmente, los autores se basan en el hallazgo, en monos anestesiados, de una reducción en la implicación de la corteza medial frontal, la cual podría reflejar alteraciones en el nivel de conciencia debido a los efectos de la anestesia. 

Objetivo

Horovitz et al. realizaron este estudio para investigar la relación entre el nivel de conciencia y la actividad de la DMN en humanos durante la vigilia y el sueño profundo. El sueño profundo es la fase del sueño durante la cual el umbral de arousal o activación a estímulos externos es máximo y durante el cual el nivel de alerta consciente se presume mínimo. 

Los niveles de actividad de la DMN se infirieron de los niveles de fluctuación de la señal de resonancia magnética funcional (fMRI, por sus siglas en inglés) de baja frecuencia (<0.08 Hz) y tanto la coherencia como la amplitud de la actividad en varios componentes de la DMN fueron estudiados. El nivel de sueño se determinó a través de datos electroencefalográficos que se adquirieron al mismo tiempo de la fMRI.

Método

Horovitz et al. adquirieron simultáneamente datos de fMRI y EEG de 18 participantes (10 mujeres) entre las 2:00 y las 6:00 de la mañana, después de 44 horas de privación completa de sueño -esto para facilitar que los participantes pudieran alcanzar la fase de sueño profundo en el ruidoso ambiente del escáner-. Previo a la privación de sueño, y con sueño normal durante los días previos, a 5 de los sujetos se les realizó la misma medición simultánea de EEG y fMRI. 

La medición se realizó en un escáner de 3T (TR = 3 segundos y tamaño del voxel = 3,45 x 3,45 x 4,5). Con el EEG se pudieron determinar los intervalos de interés para el análisis del sueño profundo. Específicamente, estos intervalos fueron definidos como los primeros períodos de intervalos de 300 TR (15 minutos) que tuvieran al menos 30% de la actividad de EEG en el rango delta (1-4 Hz) y que hubieran sido calificados como estadios 2 al 4 (vigilia y estadios 1 y de movimientos oculares rápidos del sueño fueron excluidos).

Para los análisis de correlación de fMRI, se calculó para cada sujeto el curso del tiempo o curso de la señal en el tiempo [es decir, cómo cambia la señal de fMRI, o señal BOLD, a través del tiempo] de una región "semilla" en la corteza del cíngulo posterior (CCP). Los cursos en el tiempo de esta región se correlacionaron con cada voxel [o pixel volumétrico] del cerebro y, después, los coeficientes de correlación se estandarizaron. Esta correlación se hizo de manera separada para los datos de vigilia y de sueño profundo. 

Vista medial del cerebro que muestra la corteza posterior del cíngulo (azul turquesa). Imagen tomada de www.thebrain.mcgill.ca

Adicionalmente, a partir de una plantilla de la DMN, se creó una máscara de esta red, para extraer el curso promedio para cada uno de los 4 componentes principales de la red: la CCP, la corteza frontal medial/corteza anterior del cíngulo y la corteza parietal inferior/giro angulado izquierdos y derechos. Esta parte del análisis sirvió para ver la correlación de los componentes de la DMN. 

Finalmente, Horovitz et al. analizaron el curso de la señal individualmente en cada sujeto, dividiendo en intervalos consecutivos de 200 puntos (10 minutos). En cada intervalo, el promedio del curso de tiempo de la CCP se correlacionó con los datos del cerebro completo. Los autores calcularon la fuerza de la correlación a través de los valores r promedio de la región de interés y su fluctuación temporal se correlacionó con la fluctuación del EEG en las frecuencias bajas.

Resultados

Durante la vigilia, los sujetos mostraron actividad de la DMN en las regiones normalmente reportadas: CCP/precuneus, las cortezas parietales inferiores y los giros angulares bilateralmente y las regiones frontales incluyendo la corteza medial frontal y la corteza anterior del cíngulo. Lo interesante viene a continuación: Horovitz et al. encontraron que durante el sueño profundo sólo una parte de la red se veía implicada, en cuanto que las áreas frontales parecían “desconectarse” de las demás áreas de la DMN; mientras las correlaciones entre la CCP y la corteza parietal inferior/giro angular parecían fortalecerse, las correlaciones entre la CCP y las cortezas medial frontal y anterior del cíngulo dejaron de ser significativas. Cabe anotar que estas últimas correlaciones sí estuvieron presentes y fueron significativas durante la vigilia [ver]. 

De manera crucial, Horovitz et al. también demostraron que esta desconexión entre áreas frontales y posteriores durante el sueño profundo no fue debida simplemente a una reducción de la actividad frontal, ya que ellos pudieron mostrar que la amplitud (o potencia) de las fluctuaciones dentro de esa región permanecieron constantes. 

Finalmente, los autores mostraron, en el nivel individual, cómo la conectividad cambiaba con los diferentes niveles de conciencia. Más exactamente, ellos obtuvieron 17 coeficientes de correlación (uno cada 10 minutos durante 3 horas), los cuales compararon con los cambios en la potencia delta de los datos de EEG -la potencia delta está en sí misma negativamente correlacionada con el nivel de arousal o activación cortical-. En el nivel individual, Horovitz et al. observaron que la fuerza de las correlaciones dentro de la CCP, así como entre la CCP y la corteza parietal inferior, incrementaba a medida que la profundidad del sueño aumentaba. En cambio, las correlaciones entre la CCP y las regiones frontales disminuían [o se hacían más negativas] a medida que el sueño se profundizaba.

Discusión

Según Horovitz et al., sus hallazgos muestran que la estructura local de las fluctuaciones de baja frecuencia en la señal BOLD [señal en la que se basa la fMRI] en las regiones que componen la DMN persisten a lo largo de todo el rango fisiológico de niveles de conciencia, desde la vigilia hasta el sueño profundo. Sin embargo, puntualizan los autores, la fuerza de las correlaciones y, de paso, la integridad de la DMN, se modula dinámicamente con el nivel de conciencia. 

Los autores sugieren, además, que su hallazgo de la desconexión funcional entre la corteza frontal medial y el resto de la DMN durante el sueño profundo, es consistente con la hipótesis de que la actividad integrada de la DMN puede reflejar el pensamiento consciente, ya que, por ejemplo, la DMN no se observa coherente en bebés o niños entre 7 y 9 años.

Conclusión

Horovitz et al. concluyen que los cambios en la conciencia, inducidos por el sueño, se reflejan en la reducción de las correlaciones entre áreas frontales y posteriores de la DMN durante el sueño profundo. Estos cambios aparecen en presencia de niveles preservados de actividad en los componentes individuales de la red, lo cual sugiere que no es la actividad per se, sino la activación coherente de todas las partes dentro de la red, lo que conlleva a la experiencia consciente.

Referencia:

Horovitz S.G., Braunc A.R., Carrd W.S., Picchionie D., Balkine T.J., Fukunagab M., and Duyn J.H. (2009). Decoupling of the brain’s default mode network during deep sleep. PNAS, 106(27): 11376-11381.

Comentario

Este artículo es uno de nuestros favoritos. En primer lugar, tiene un diseño limpio y unos métodos complejos y al mismo tiempo complicados, lo cual le confiere mucho valor al haber sido llevado a cabo de manera exitosa. En segundo lugar, es una pregunta de investigación pertinente y muy bien justificada. Y en tercer lugar, ¡los resultados son fascinantes!

Como vimos, los autores mostraron una separación de los componentes frontales y posteriores de la red cerebral por defecto durante la fase de sueño profundo. Esta separación no se da porque el componente frontal disminuya su actividad -o, alternativamente, porque el posterior la aumente-. El porqué no puede ser concluido a partir de estos resultados, por supuesto, pero lo importante es la evidencia de que la integración (es decir, la coherencia funcional) de esta red por defecto subyace la conciencia. Una pregunta que podría seguir es cómo se da esta separación; es decir, si existe otra u otras estructuras cerebrales que medien esta separación y su consecuente integración con la vuelta del sueño profundo a fases más superficiales o, incluso, al despertar.

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