LABORATORIO DE URGENCIAS

El Sueño Precede al Cerebro?

                                                                                           Hiroyuki J. Kanaya, Sungeon Park, Ji Hyung Kim, JunkoKusumi,
                                                                                Sofian Krenenou, Etsuko Sawatari, Aya Sato, Taichi Q. Itoh, et al                                                                                                           Faculty of Arts and Science, Kyushu University, Fukuoka , Japan.

                                                                                              Science Advances,(2020), Vol 6, Issue 41 / DOI: 10.1126/sciadv.abb9415

                                                                                                                     Resumido por: Carmen Leitch

Estados similares al sueño se han definido en una amplia gama de taxones animales. Los mecanismos neuronales que subyacen al sueño se conservan sustancialmente entre vertebrados, artrópodos y nematodos. Pero sigue siendo difícil determinar cómo se ha formado el proceso molecular de la regulación del sueño durante el desarrollo evolutivo del sistema nervioso central (SNC).
En este sentido, Cnidaria está idealmente posicionada en el árbol filogenético del reino animal. Los cnidarios carecen de un sistema nervioso centralizado y, por lo tanto, se cree que no tienen cerebro. Su red nerviosa difusa inerva la mayoría de las partes del cuerpo, lo que probablemente representa la organización ancestral del sistema nervioso. Se ha observado una quietud periódica diaria en especies de cnidarios. Por ejemplo, los corales blandos muestran ritmos de pulsación-descanso de 24 horas en el movimiento de sus tentáculos. La medusa de caja Tripedalia está activa durante el día, mientras que Copula exhibe comportamientos nocturnos.
La medusa invertida Cassiopea también muestra comportamientos similares al sueño comparables a los de otros animales con un SNC bien definido. Sus características comunes incluyen:
   * I.Quiescencia conductual reversible,
   * II.Respuesta reducida a los estímulos (es decir, umbral de excitación alto),*
   * III.Regulación por relojes circadianos y homeostasis del sueño,
   * IV.Efectos farmacológicos de fármacos inductores del sueño como la melatonina y
      un antagonista del receptor de histamina.
Estos hallazgos respaldan la hipótesis de que el origen filogenético del sueño ha precedido a la evolución de un sistema nervioso centralizado.
Además, razonamos que los análisis comparativos de los mecanismos reguladores del sueño en las distintas especies animales, incluidas aquellas con un SNC mal definido, deberían dilucidar cómo ha evolucionado esta fisiología esencial junto con el desarrollo del SNC.
Cuanto más tiempo permanezcamos despiertos sin dormir, más difícil puede resultar pensar con claridad. Pero nuestro funcionamiento se restablece cuando descansamos. Los científicos se han preguntado si la necesidad de dormir surgió después de que el cerebro evolucionara o antes. Un nuevo trabajo ha sugerido que incluso los animales que no tienen sistemas nerviosos centrales, como las hidras, deben entrar en un estado similar al sueño.
Las hidras miden unos pocos centímetros de largo y tienen una red de células nerviosas débilmente unidas, pero no tienen una estructura nerviosa central como un cerebro. Estos animales no tienen ondas cerebrales que cambien cuando entran en sueño como las personas, pero sus movimientos se reducen. Las hidras en ese estado comenzarán a moverse nuevamente si son estimuladas por la luz. Las hidras también tienen un ciclo de veinticuatro horas de estados de movimiento activo y reducido.
Ahora tenemos evidencia sólida de que los animales deben haber adquirido la necesidad de dormir antes de adquirir un cerebro.
Se han observado comportamientos similares al sueño en las medusas, que son parientes de las hidras y miembros del filo Cnidaria. Este trabajo demostró que las moléculas que pueden provocar somnolencia y sueño en los humanos también podían inducir comportamientos similares en Hydra vulgaris.
Nuestros hallazgos y los informes anteriores sobre las medusas nos permiten decir que la evolución del sueño es independiente de la evolución del cerebro. Aún quedan muchas preguntas sobre cómo surgió el sueño en los animales, pero las hidras proporcionan una criatura fácil de manejar para investigar más a fondo los mecanismos detallados que producen el sueño en animales sin cerebro para ayudar, posiblemente, algún día, a responder estas preguntas.
Este trabajo también reveló que, independientemente de si los organismos tienen cerebro o no, existen patrones moleculares y genéticos de regulación del sueño en las células. Por ejemplo, si las hidras se exponen a una ayuda natural común para dormir llamada melatonina, la cantidad de frecuencia de comportamientos similares al sueño aumentó. Además, un neurotransmisor inhibidor vinculado al sueño llamado GABA tuvo un impacto significativo en las hidras y aumentó en gran medida su actividad de sueño. La exposición a la dopamina, un neurotransmisor vinculado con la excitación, también tuvo un efecto promotor del sueño en las hidras.
Si bien algunos mecanismos del sueño parecen haberse conservado, otros pueden haber cambiado de función durante la evolución del cerebro.
Cuando se utilizaron vibraciones y cambios de temperatura para alterar los patrones de sueño en las hidras, los investigadores indujeron signos de privación del sueño. Las hidras también pasaron más tiempo "durmiendo" al día siguiente.
Para evaluar los cambios de comportamiento en la hidra privada de sueño, aplicamos una vibración suave a la cámara de cultivo durante las últimas 6 horas de la noche bajo ciclos LD y luego grabamos en video los movimientos de la hidra a partir del encendido de las luces al día siguiente. Esta privación mecánica del sueño (MSD) alargó notablemente el tiempo de duración del sueño durante la fase L posterior como sueño de rebote. También descubrimos que la hidra privada de sueño tenía una latencia más corta para el inicio del sueño, lo que probablemente indica un aumento homeostático en el impulso de sueño. Por el contrario, la MSD diurna no condujo a un rebote del sueño en la siguiente fase D. Esos animales privados de sueño, en cambio, mostraron un sueño D corto, lo que posiblemente indica efectos persistentes del estrés mecánico diurno en los comportamientos de la hidra. Debido a que nuestro análisis del sueño basado en imágenes no nos permitió monitorear el grado de privación del sueño durante el estrés mecánico, establecimos además un protocolo de privación del sueño dependiente de la temperatura en la hidra. Los animales fueron entrenados primero a baja temperatura (10°C) para la medición de su sueño basal y luego sometidos a cambios de alta temperatura (20°C) durante las últimas 6 horas en la fase L o D. Este aumento transitorio en la temperatura ambiente redujo el sueño L y D de manera comparable. Sin embargo, un sueño de rebote fue evidente solo después de la privación del sueño D, posiblemente indicando acumulaciones diferenciales de la presión del sueño durante el día y la noche. Estas características de comportamiento demuestran de manera convincente un estado similar al sueño en Hydra y su regulación homeostática, particularmente durante la fase D, consistente con sus comportamientos diurnos.
La melatonina es una hormona que promueve el sueño en varios taxones animales, incluidos los humanos. La incubación de melatonina con medio de cultivo de Hydra aumentó la cantidad diaria de sueño y el número de episodios de sueño de manera dependiente de la dosis. Sin embargo, no pudimos observar ninguna correlación fuerte entre la concentración de melatonina y el cambio de píxel promedio por cuadro de episodio de vigilia (denominado en adelante como actividad de vigilia). Por lo tanto, era menos probable que la administración de melatonina hiciera que los animales se sintieran enfermos o lentos para provocar un sueño prolongado. Dado que la melatonina también promueve el sueño en la medusa Cassiopea, estos resultados sugieren su papel conservado entre cnidarios y mamíferos. El genoma de Hydra también codifica genes ortólogos que apoyan la transmisión de neurotransmisores relevantes para el sueño en otras especies. Estos incluyen tirosina hidroxilasa, 3,4-dihidroxifenilalanina (DOPA) descarboxilasa y receptores de dopamina para la biosíntesis y transmisión de dopamina, y ácido glutámico descarboxilasa, transportador de ácido γ-aminobutírico vesicular (GABA), receptores de GABA y GABA transaminasa para la biosíntesis, transmisión y degradación de GABA. Confirmamos que la mayoría de estos homólogos también se conservaron en otras especies de cnidarios. Además, estudios previos han validado su relevancia fisiológica en la respuesta de alimentación inducida por GSH y la actividad marcapasos implicada en la contracción corporal de Hydra. Por lo tanto, examinamos los posibles roles de estos neurotransmisores en el sueño de la hidra.
La administración del neurotransmisor inhibidor GABA aumentó de forma potente la cantidad diaria de sueño y el número de episodios de sueño. Además, el aumento farmacológico de los niveles sinápticos de GABA mediante inhibidores químicos de la transaminasa metabolizadora de GABA [etanolamina-O-sulfato (EOS)] o el transportador de recaptación de GABA [ácido nipecótico (NipA)] promovió el sueño de Hydra, en consonancia con los efectos generales de promoción del sueño del GABA. Para nuestra sorpresa, la administración de dopamina, un neurotransmisor de excitación bien establecido que suprime el sueño en animales superiores, promovió el sueño de Hydra de forma tan potente como lo hizo el GABA. Esta observación fue confirmada además por los efectos promotores del sueño de un precursor de la dopamina [L-3,4-dihidroxifenilalanina (L-DOPA)] y por los efectos promotores de la vigilia de la 3-yodo-tirosina (3IY), un inhibidor químico de la tirosina hidroxilasa que media la conversión limitante de la velocidad de tirosina a L-DOPA para la biosíntesis de dopamina. Los efectos promotores del sueño de la transmisión de GABA y dopamina fueron evidentes en general en el sueño D, aunque los efectos acumulativos de sus manipulaciones farmacológicas podrían explicar estas observaciones. Los fenotipos de sueño prolongado causados ​​por la elevación farmacológica de los niveles de GABA y dopamina no podrían atribuirse a sus efectos generales en la actividad de vigilia.
Dado que el GABA y la dopamina tienen efectos opuestos en la duración de la respuesta de alimentación inducida por GSH en Hydra, nuestros hallazgos indican que las transmisiones de GABA y dopamina interactúan específicamente en diferentes comportamientos. Estos resultados respaldan aún más el origen ancestral de la regulación del sueño por el GABA y la dopamina, entre otros neurotransmisores. Razonamos que la vía reguladora del sueño dopaminérgica puede haber cambiado su modo de promover el sueño a promover la vigilia durante el desarrollo evolutivo del SNC.