CAPÍTULO 14: Actividad eléctrica del cerebro, estados de sueño-vigilia y ritmos circadianos

Después de revisar este capítulo, el lector será capaz de:

• Describir los tipos principales de ritmos que conforman el electroencefalograma (EEG).

• Listar los usos clínicos principales del electroencefalograma.

• Resumir las características conductuales y electroencefalográficas de cada una de las etapas del sueño sin movimiento ocular rápido (NREM) y con movimiento ocular rápido (REM), y el mecanismo que explica su generación.

• Describir el patrón de sueño nocturno normal de los adultos y las variaciones en su patrón desde el nacimiento hasta la vejez.

• Describir la interrelación de las neuronas del tronco encefálico que contienen noradrenalina, serotonina, acetilcolina y también GABA e histamina, en la mediación de transiciones entre el sueño y el estado de vigilia.

• Revisar el ritmo circadiano y la función de los núcleos supraquiasmáticos en su regulación.

• Describir la regulación diurna de la síntesis de melatonina a partir de serotonina en la glándula pineal y su secreción a la corriente sanguínea.

La mayoría de las diversas vías sensitivas descritas en los capítulos 8 a 11, transmiten impulsos de órganos sensitivos mediante cadenas de tres o cuatro neuronas a sitios particulares en la corteza cerebral. Los impulsos hacen posible la percepción y la localización de sensaciones individuales. Sin embargo, estas deben procesarse en el cerebro despierto para percibirse. Hay un espectro de estados conductuales que varían desde el sueño profundo al sueño ligero, sueño de movimientos oculares rápidos y dos estados de vigilia: conciencia relajada y conciencia con atención enfocada. Hay patrones leves de actividad eléctrica cerebral que se relacionan con cada uno de estos estados. Las variaciones de retroalimentación dentro de la corteza cerebral y entre el tálamo y la corteza sirven como generadores de esta actividad y posibles determinantes del estado conductual. Es posible despertar al sujeto mediante estimulación sensitiva y por impulsos que ascienden por el centro reticular del mesencéfalo. Muchas de estas actividades tienen fluctuaciones rítmicas con duración cercana a 24 h; es decir, son circadianos.

NÚCLEOS DEL TÁLAMO

El tálamo es una acumulación grande de grupos neuronales en el diencéfalo; participa en las funciones sensitiva, motora y límbica. Toda la información que llega a la corteza se procesa en el tálamo, lo cual dio origen a la denominación de “compuerta” a la corteza cerebral.

El tálamo puede dividirse en núcleos que se proyectan de manera difusa en regiones amplias de la neocorteza y los núcleos que se proyectan en áreas pequeñas específicas de la neocorteza y el sistema límbico. Los núcleos que se proyectan en regiones amplias de la neocorteza son los núcleos medial e intralaminar. Los núcleos proyectados hacia áreas específicas incluyen los núcleos de relevo sensitivo específico y núcleos participantes en mecanismos de control eferente.

Los núcleos de relevo sensitivo específicos comprenden los cuerpos geniculados medial y lateral, que transmiten impulsos auditivos y visuales a las cortezas auditiva y visual, y los núcleos posterior lateral ventral (VPL) y posteromedial ventral, que transmiten información somatosensitiva al giro postcentral. Los núcleos ventral anterior y el ventral lateral participan en la función motora; reciben información de los ganglios basales y el cerebelo para proyectarla a la corteza motora. Los núcleos anteriores reciben aferentes de los cuerpos mamilares y envían información a la corteza límbica, donde esta puede participar en la memoria y las emociones. La mayor parte de los núcleos talámicos descritos corresponde a neuronas excitadoras que liberan glutamato. El tálamo también contiene neuronas inhibidoras en el núcleo talámico reticular, que liberan ácido aminobutírico γ (GABA) y, a diferencia de las otras neuronas talámicas descritas, sus axones no se dirigen a la corteza. En lugar de eso, estos son interneuronas talámicas y regulan las respuestas de otras neuronas talámicas a la información proveniente de la corteza.

ORGANIZACIÓN CORTICAL

La neocorteza está organizada en seis capas (fig. 14-1). El tipo neuronal más abundante es la neurona piramidal, con un extenso árbol dendrítico vertical (figs. 14-1 y 14-2) que puede llegar a la superficie cortical. Sus cuerpos celulares se encuentran en todas las capas corticales, excepto la capa I. Los axones de estas células casi siempre emiten colaterales recurrentes que regresan y forman sinapsis en las porciones superficiales de los árboles dendríticos. Las aferentes de núcleos específicos del tálamo terminan sobre todo en la capa cortical IV, mientras que las aferentes inespecíficas se distribuyen en las capas I a IV. Las neuronas piramidales son las únicas neuronas de proyección de la corteza y son de tipo excitador que liberan glutamato en sus terminaciones. Las otras variedades de células corticales comprenden neuronas de circuito local (interneuronas), que se clasificaron según su forma, patrón de proyección y neurotransmisor. Las interneuronas inhibidoras (células “en canasta” y células “en candelero”) liberan ácido aminobutírico γ como neurotransmisor. Las células “en canasta” tienen terminaciones axónicas largas que rodean el cuerpo de las neuronas piramidales; forman la mayoría de las sinapsis inhibidoras en los cuerpos y las dendritas piramidales.

Las células “en candelero” constituyen una fuente poderosa de inhibición de las células piramidales porque tienen terminaciones axónicas que finalizan solo en el segmento inicial del axón de la célula piramidal. Sus botones terminales forman hileras verticales cortas que parecen candeleros, lo cual explica su nombre. Las células estrelladas espinosas son interneuronas excitadoras que descargan glutamato como neurotransmisor. Dichas células se encuentran sobre todo en la capa IV y son un receptor importante de información sensitiva derivada del tálamo; ellas conforman un ejemplo de neurona multipolar con arborizaciones locales dendríticas y axónicas (véase cap. 4).

Además de organizarse en capas, la corteza también lo hace en columnas. Las neuronas dentro de una columna tienen propiedades de respuesta similares, lo cual sugiere que comprenden una red de procesamiento local (p. ej., columnas de orientación y dominancia ocular en la corteza visual).

SISTEMA ACTIVADOR RETICULAR

La formación reticular, el centro reticular filogenéticamente más antiguo del encéfalo, ocupa la porción central del bulbo raquídeo y el mesencéfalo alrededor del cuarto ventrículo y el acueducto cerebrales. Esta formación contiene el cuerpo neuronal y fibras de muchos sistemas serotonérgicos, noradrenérgicos y colinérgicos, vías que se señalan en la figura 7-2. La formación reticular también contiene muchas de las áreas que intervienen en la regulación de la frecuencia cardiaca, la presión arterial y la respiración. Dicha estructura interviene de manera importante para determinar el nivel de vigilia, razón por la cual se le ha denominado el sistema activador reticular (RAS, reticular activating system) ascendente.

El sistema activador reticular es una vía polisináptica compleja que nace de la formación reticular del tronco encefálico y el hipotálamo, con proyecciones a los núcleos intralaminares y reticulares del tálamo, que a su vez se proyectan de manera difusa e inespecífica a amplias regiones de la corteza, incluyendo las cortezas frontal, temporal, parietal y occipital (fig. 14-3). Las colaterales confluyen en él, no solo desde haces sensitivos ascendentes largos, sino también de los sistemas trigémino, auditivo, visual y olfatorio. La complejidad de la red neuronal y el grado de convergencia en este sistema eliminan la especificidad por modalidad, y la mayoría de las neuronas reticulares se activa con la misma facilidad con distintos estímulos sensitivos. Por tanto, el sistema es inespecífico, mientras que las vías sensitivas clásicas son específicas, ya que sus fibras se activan solo con un tipo de estimulación sensitiva.

Los fenómenos eléctricos que surgen en la corteza después de la estimulación de un órgano de los sentidos se pueden vigilar en forma seriada por medio de un electrodo de registro. Cuando este se sitúa sobre un área receptora primaria, en lo que se refiere a un sentido particular, aparece una onda positiva de superficie con una latencia de 5 a 12 ms para ser seguida de otra onda pequeña negativa, y como estructura siguiente, una deflexión positiva de mayor magnitud y más duradera, con una latencia de 20 a 80 ms. La primera sucesión o secuencia de ondas positivas-negativas recibe el nombre de potencial provocado (evocado) primario y la segunda es la respuesta secundaria difusa.

El potencial evocado primario es muy específico en su localización y solo puede observarse donde terminan las vías de un órgano sensitivo particular. La secuencia de onda positiva-negativa registrada en la superficie de la corteza ocurre porque las capas corticales superficiales son positivas en relación con la negatividad inicial, luego relativamente negativa con respecto a la hiperpolarización profunda. A diferencia de la respuesta primaria, la reacción secundaria difusa positiva en la superficie no está muy localizada. Aparece al mismo tiempo en la mayor parte de la corteza y se debe a la actividad en las proyecciones desde la línea media y los núcleos talámicos relacionados.

La actividad eléctrica de fondo del encéfalo en animales no anestesiados se describió por primera vez en el siglo xix. Después, fue analizada de manera sistemática por Hans Berger un psiquiatra alemán, que introdujo el término electroencefalograma (EEG) para referirse al registro de las variaciones en el potencial del cerebro. El electroencefalograma puede registrarse con electrodos en el cuero cabelludo con el cráneo intacto o con electrodos sobre o dentro del cerebro. El término electrocorticograma (ECoG) se aplica al registro obtenido con electrodos sobre la superficie pial de la corteza.

El registro del EEG en la piel cabelluda es una medida de la suma de potenciales dendríticos postsinápticos y no de potenciales de acción (fig. 14-4). Las dendritas de las células corticales constituyen un bosque de unidades con orientación similar muy próximas entre ellas, situadas en las capas superficiales de la corteza cerebral (fig. 14-1). Tal vez se generen potenciales propagados en las dendritas. Además, las colaterales axónicas recurrentes terminan en las dendritas en las capas superficiales. Cuando se activan las terminaciones excitadoras e inhibidoras de las dendritas de cada célula, la corriente fluye hacia dentro y fuera de estos vertederos de corriente, así como de fuentes del resto de los procesos dendríticos y el cuerpo celular. Por tanto, la relación célula-dendrita es la de un dipolo en constante cambio. El flujo de corriente en este dipolo produce fluctuaciones de potencial similares a una onda en un conductor de volumen (fig. 14-4). Cuando la suma de la actividad dendrítica es negativa con respecto a la neurona, esta última se halla despolarizada e hiperexcitable; cuando es positiva, la célula está hiperpolarizada y es menos excitable.

En los seres humanos adultos despiertos, pero en reposo con la mente libre y los ojos cerrados, el componente principal del electroencefalograma es un patrón bastante regular de ondas con una frecuencia de 8 a 13 Hz y amplitud de 50 a 100 μV cuando se registran en la piel cabelluda. Este patrón es el ritmo α (fig. 14-5). Este es más prominente en los lóbulos parietal y occipital, y se relaciona con niveles bajos de atención. Se ha observado un ritmo similar en muchas especies de mamíferos. Existen algunas variaciones menores de una especie a otra, pero en todos los mamíferos el patrón es notoriamente parecido (recuadro clínico 14-1).

Cuando la atención se enfoca en algo, el ritmo α se remplaza por una actividad irregular de voltaje bajo y de 13 a 30 Hz, el ritmo β (fig. 14-5). Este fenómeno se llama bloqueo α y puede producirse con cualquier forma de estimulación sensitiva o concentración mental, como la solución de problemas matemáticos. Otro término para este fenómeno es activación cerebral o respuesta de alerta, ya que se relaciona con el estado despierto, de alerta. También se le ha llamado desincronización, ya que representa la interrupción de la actividad neural sincronizada evidente necesaria para generar ondas regulares. Sin embargo, la actividad electroencefalográfica rápida observada en el estado de alerta también está sincronizada, aunque a una mayor frecuencia. Por tanto, el término desincronización es engañoso. Las oscilaciones γ a 30 a 80 Hz a menudo se observan cuando un individuo se encuentra alerta y enfoca su atención en algo. Muchas veces dichas oscilaciones sustituyen la actividad rápida irregular cuando el individuo inicia la acción motora como respuesta al estímulo.

CIRCUITO TALAMOCORTICAL

Se cree que un circuito que vincula la corteza con el tálamo es importante para generar patrones de actividad cerebral en estados de sueño-vigilia. En la figura 14-6 se ilustran las propiedades de la actividad en dicho circuito talamocortical, que se supone participa en la generación de actividad rítmica. Es posible que la mayor activación de los conductos de Ca²⁺ tipo T de bajo umbral en las neuronas talámicas contribuya a la sincronía fisiológica y fisiopatológica en los circuitos talamocorticales. Aunque no se muestran, las neuronas reticulares talámicas inhibidoras son elementos de esta red. El EEG permite observar los patrones característicos de la vigilia, el sueño ligero y el sueño profundo. De igual manera, los registros de las neuronas talámicas y corticales individuales muestran distintos patrones de actividad rítmica. En el estado de vigilia, las redes corticocortical y talamocortical generan actividad rítmica de mayor frecuencia (30-80 Hz, ritmo γ). Este ritmo puede generarse en las células y las redes de la corteza cerebral o dentro de los ciclos talamocorticales. Se ha sugerido que el ritmo γ es un mecanismo para “vincular” la información sensitiva diversa en una sola percepción y acción, pero esta teoría aún es causa de controversia. De hecho, los trastornos en la integridad de este circuito talamocortical y su interacción con otras estructuras cerebrales pueden explicar algunos trastornos neurológicos, incluida la actividad convulsiva.

ETAPAS DEL SUEÑO

Hay dos tipos de sueño: sueño con movimientos oculares rápidos (REM) y sueño no REM (NREM) o de ondas lentas. El primero se llama así por los movimientos oculares característicos que ocurren durante esta etapa del sueño. El segundo se divide en cuatro etapas (fig. 14-7). Una persona que se queda dormida entra primero a la etapa 1, aparece un patrón electroencefalográfico con voltaje bajo y frecuencia mixta. En esta etapa temprana del sueño de ondas lentas, puede verse el ritmo θ (4 a 7 Hz). Durante todo el sueño sin movimientos oculares rápidos, se observa alguna actividad del músculo esquelético, pero no hay movimientos oculares. La etapa 2 está marcada por la aparición de ondas sinusoidales llamadas husos del sueño (12 a 14 Hz) y ondas bifásicas ocasionales de alto voltaje denominadas complejos K. En la etapa 3, de sueño NREM, un ritmo δ de gran amplitud (0.5 a 4 Hz) domina las ondas electroencefalográficas.

En la etapa 4 de sueño NREM, se observa la máxima disminución en la velocidad, con ondas grandes. Por tanto, las características del sueño profundo corresponden a un patrón de ondas lentas rítmicas, que indica sincronización marcada; a veces esto se llama sueño de ondas lentas. Aunque los ritmos θ y δ son normales durante el sueño, su aparición en la vigilia constituye un signo de disfunción cerebral.

SUEÑO DE MOVIMIENTOS OCULARES RÁPIDOS (REM)

Las ondas lentas de gran amplitud observadas en el EEG durante el sueño se sustituyen de manera periódica por actividad electroencefalográfica rápida de voltaje bajo parecida a la del estado de alerta, de vigilia y de la etapa 1 del sueño (fig. 14-7). Por tal razón, el sueño REM también se llama sueño paradójico. No obstante, el sueño no se interrumpe; de hecho, se eleva el umbral para el despertar mediante estímulos sensitivos y estimulación de la formación reticular. Durante el sueño paradójico, hay movimientos oculares rápidos errantes; por esta razón, también se llama sueño REM. Otra característica de este último es la ocurrencia de grandes potenciales fásicos originados en las neuronas colinérgicas de la protuberancia anular, que pasan con rapidez al cuerpo geniculado lateral, y de allí a la corteza occipital. Se llaman espigas pontogeniculooccipitales (PGO). Durante el sueño REM se reduce mucho el tono de los músculos esqueléticos del cuello.

Aunque antes se pensaba que los sueños solo ocurrían durante el sueño REM, nuevos estudios revelaron que pueden ocurrir en las etapas de sueño REM y NREM. Los sueños que aparecen durante el sueño REM tienden a ser más prolongados, y más visuales y emocionales que los que existen durante el sueño NREM.

Las imágenes con tomografía por emisión de positrones (PET) durante el sueño REM muestran aumento de la actividad en el área pontina, la amígdala y el giro anterior del cíngulo, pero disminución de la actividad en la corteza prefrontal y parietal. La actividad en las áreas de asociación visual aumenta, pero se observa un descenso en la corteza visual primaria. Esto es congruente con el aumento en la emoción y la operación de un sistema neural cerrado, separado de las áreas de actividad cerebral relacionadas con el mundo exterior.

DISTRIBUCIÓN DE LAS ETAPAS DEL SUEÑO

En una noche típica de sueño, un adulto joven entra primero en el sueño no REM, pasa por las etapas 1 y 2, y permanece 70 a 100 min en las etapas 3 y 4. Luego el sueño se hace más ligero y sigue un periodo de sueño REM. Este ciclo se repite a intervalos de unos 90 min durante toda la noche (fig. 14-8). Los ciclos son similares, aunque se pasa menos tiempo en las etapas 3 y 4 del sueño y más en el sueño REM conforme se aproxima la mañana. Por tanto, ocurren cuatro a seis periodos de sueño REM cada noche. El sueño REM ocupa 80% del tiempo total de sueño en los recién nacidos prematuros y 50% en los nacidos de término. En consecuencia, la proporción del sueño REM disminuye rápidamente y alcanza un nivel estable en casi 25%, hasta que vuelve a disminuir a 20%, en el anciano. Los niños tienen más tiempo total de sueño y sueño en etapa 4 que los adultos.

IMPORTANCIA DEL SUEÑO

El sueño ha persistido durante la evolución de los mamíferos y aves; por ello es probable que tenga importancia funcional. De hecho, si se despierta a los seres humanos cada vez que presentan sueño REM, y luego se les permite dormir sin interrupción, pasan mucho más tiempo del normal en sueño REM por algunas noches. No parece que la privación relativamente prolongada de sueño REM tenga efectos psicológicos adversos. Las ratas privadas de sueño durante periodos largos, pierden peso a pesar del aumento del consumo calórico y, al final, mueren. Varios estudios indican que el sueño es necesario para mantener el equilibrio metabólico-calórico, el equilibrio térmico y la función inmunitaria.

En animales de experimentación, el sueño es necesario para aprender y consolidar la memoria. Las sesiones de aprendizaje no mejoran el desempeño hasta que ocurre un periodo de sueño de ondas lentas o de ondas lentas más REM. En el recuadro clínico 14-2 se describen varios trastornos frecuentes del sueño.

El EEG es útil para localizar procesos patológicos. Cuando hay una acumulación de líquido sobre una parte de la corteza, quizá se amortigüe la actividad de esta área. Este hecho tal vez ayude a diagnosticar y ubicar trastornos, como hematomas subdurales. Las lesiones en la corteza cerebral originan localmente trastornos transitorios en la actividad encefálica, caracterizados por ondas anormales de alto voltaje que se pueden registrar en el EEG. También puede surgir actividad convulsiva por el incremento en la activación de estímulos de neuronas excitadoras (p. ej., liberación de glutamato), o disminución de la activación de neuronas que son inhibidoras (p. ej., liberación de GABA).

TIPOS DE CONVULSIONES

La epilepsia es un trastorno en que surgen las convulsiones espontáneas, repetitivas y que a veces son consecuencia de daño cerebral. Las convulsiones representan actividad neuronal anormal altamente sincronizada. La epilepsia es un síndrome con múltiples causas. En algunas modalidades, se observan patrones electroencefalográficos característicos durante las crisis convulsivas. Sin embargo, entre estas últimas con frecuencia es difícil demostrar alguna alteración. Las crisis convulsivas se clasifican en parciales (focales) y generalizadas.

Las crisis convulsivas parciales se originan en un grupo pequeño de neuronas y quizá sean resultado de una lesión cefálica, infección cerebral, apoplejía o tumor, pero muchas veces se desconoce la causa. Los síntomas dependen del foco convulsivo. Se dividen en crisis convulsivas parciales simples (sin pérdida de la conciencia) y crisis convulsivas parciales complejas (con alteración del estado de conciencia). Un ejemplo de una convulsión parcial son las sacudidas localizadas en una mano que progresan a movimientos clónicos de todo el brazo. Casi siempre hay un aura que precede al inicio de una crisis convulsiva parcial e incluye sensaciones anómalas. El periodo después de una convulsión hasta que se recupera la función neurológica normal se llama periodo posictal.

Las crisis convulsivas generalizadas se relacionan con actividad eléctrica difundida que afecta ambos hemisferios al mismo tiempo.

Estas, además se subdividen en categorías convulsivas y no convulsivas, según la presencia de movimientos tónicos o clónicos. Las crisis convulsivas de ausencia (antes llamadas crisis convulsivas de pequeño mal) corresponden a una de las presentaciones de crisis convulsivas generalizadas no convulsivas caracterizadas por la pérdida momentánea del estado de conciencia. Se relacionan con dobletes (3/s), cada uno formado por una espiga típica y una onda redondeada, que duran cerca de 10 s (fig. 14-9). No se acompañan de aura ni periodo posictal. Estas espigas y ondas posiblemente son generadas por los conductos de Ca²⁺ de tipo T de bajo umbral en neuronas talámicas.

La crisis convulsiva generalizada más frecuente es la crisis convulsiva tónico-clónica (antes llamada convulsión de gran mal). Se presenta con inicio súbito de contracción de los músculos de las extremidades (fase tónica) que dura alrededor de 30 s, seguida de una fase clónica con sacudidas simétricas de las extremidades como resultado de la contracción y la relajación alternadas (fase clónica); dura 1 a 2 min. Durante la fase tónica, se observa actividad electroencefalográfica rápida. Al momento de cada sacudida clónica hay ondas lentas, cada una precedida por una espiga. Se observan ondas lentas por algún tiempo después de un episodio.

La investigación reciente proporciona información sobre la posible participación de la liberación de glutamato desde los astrocitos en la fisiopatología de la epilepsia. También hay evidencia que apoya la idea de la reorganización de los astrocitos, junto con la generación de dendritas y la formación de nuevas sinapsis, lo cual establece la base estructural para la excitación recurrente del cerebro epiléptico. En el recuadro clínico 14-3, se presenta información sobre la función de las mutaciones genéticas en algunas modalidades de epilepsia.

TRATAMIENTO DE LAS CONVULSIONES

Solo 66% de personas que presenta actividad convulsiva mejora con la farmacoterapia. Algunas reaccionan a intervenciones quirúrgicas (como las que se practican para corregir la epilepsia del lóbulo temporal), en tanto que otras mejoran con la estimulación del nervio neumogástrico (p. ej., quienes presentan convulsiones parciales). Antes del decenio de 1990 los fármacos que se utilizaban con mayor frecuencia para tratar convulsiones (anticonvulsivos) incluían difenilhidantoinato, valproato y barbitúricos. Ahora se dispone de fármacos nuevos, pero como ocurre con los más antiguos, son paliativos y no curativos. El recuadro clínico 14-3 señala los mecanismos de acción de algunos de los fármacos utilizados para tratar las convulsiones.

RITMOS CIRCADIANOS

La mayor parte, si no es que todas, de las células de plantas y animales tiene fluctuaciones rítmicas en su función con un ciclo circadiano. En situaciones normales se encauzan, o sea, se sincronizan con el ciclo día-noche del entorno. Si no lo hacen, se desfasan cada vez más del ciclo luz-oscuridad porque sus ciclos son mayores o menores de 24 h. En la mayor parte de los casos, el proceso de encauzamiento depende de los núcleos supraquiasmáticos (SCN) situados a ambos lados por arriba del quiasma óptico (fig. 14-10). Estos núcleos reciben información sobre el ciclo luz-oscuridad por una vía neural especial, las fibras retinohipotalámicas. Las eferentes de los núcleos supraquiasmáticos emiten señales neurales y humorales, los cuales encauzan gran variedad de ritmos circadianos bien conocidos, incluido el ciclo de sueño-vigilia y la secreción de la hormona pineal melatonina.

La evidencia sugiere que los núcleos supraquiasmáticos tienen dos picos de actividad circadiana. Tal vez esto se relacione con la observación de que la exposición a la luz brillante puede avanzar, retrasar o no tener efecto en el ciclo sueño-vigilia de los seres humanos según la hora del día en que se experimente. Durante el tiempo diurno usual, aquélla no genera efecto, pero justo después de oscurecer, retrasa el inicio del periodo de sueño y, antes del amanecer, acelera el inicio del siguiente periodo de sueño. Las inyecciones de melatonina producen efectos similares. En animales de experimentación, la exposición a la luz activa genes inmediatos-tempranos en los núcleos supraquiasmáticos, pero solo en periodos del ciclo circadiano cuando la luz es capaz de influir en el encauzamiento. La estimulación durante el día es ineficaz. En el recuadro clínico 14-4 se describen los trastornos del ritmo circadiano que alteran el estado de sueño y vigilia.

MECANISMOS NEUROQUÍMICOS QUE FOMENTAN EL SUEÑO Y EL DESPERTAR

Las transiciones entre el sueño y la vigilia manifiestan un ritmo circadiano que perdura en promedio 6 a 8 h de sueño y 16-18 h de vigilia. Los núcleos del tronco encefálico y el hipotálamo son cruciales para las transiciones entre dichos estados de conciencia. Un estudio clásico de Moruzzi y Magoun, en 1949, mostró que la estimulación de alta frecuencia en la formación reticular del mesencéfalo (sistema activador reticular) produce la respuesta de alerta en el EEG y despierta al animal dormido. El daño en esa área causa un estado comatoso. La estimulación eléctrica de la parte posterior del hipotálamo también induce un despertar similar al causado con estimulación del mesencéfalo, mientras la estimulación eléctrica de la parte anterior del hipotálamo y la región adyacente basal del prosencéfalo induce el sueño.

Como ya se describió, el sistema activador reticular del tronco encefálico está compuesto por varios grupos de neuronas liberadoras de noradrenalina, serotonina y acetilcolina. Los sitios y las amplias proyecciones de dichas poblaciones neuronales se incluyen en la figura 7-2. En el caso de las neuronas prosencefálicas que intervienen en el control de los ciclos de sueño-vigilia las neuronas preópticas en el hipotálamo liberan GABA y las neuronas hipotalámicas posteriores liberan histamina. También las neuronas hipotalámicas producen orexina, que al parecer es importante para generar los cambios entre el sueño y la vigilia.

Una teoría basada en las transiciones del sueño a la vigilia involucra la alternancia de la actividad recíproca de distintos grupos de neuronas del sistema activador reticular. En este modelo (fig. 14-11), la vigilia y el sueño REM se encuentran en extremos opuestos. Cuando domina la actividad de las neuronas que contienen noradrenalina y serotonina (locus coeruleus y núcleos del rafé), hay menor nivel de actividad en las neuronas que contienen acetilcolina en la formación reticular pontina. Este patrón de acción contribuye a la aparición del estado de vigilia. Lo inverso a este patrón conduce al sueño REM. Cuando hay un equilibrio más uniforme en la actividad de las neuronas aminérgicas y colinérgicas, se presenta el sueño sin REM. La orexina liberada por las neuronas hipotalámicas pueden regular los cambios de actividad de las neuronas mencionadas del tronco encefálico.

Además, el aumento en la liberación de ácido aminobutírico γ y la disminución en la liberación de histamina incrementan la probabilidad de sueño no REM por desactivación del tálamo y la corteza. La vigilia se produce cuando se reduce la liberación de ácido aminobutírico γ y aumenta la de histamina.

MELATONINA Y ESTADO DE SUEÑO-VIGILIA

Además de los mecanismos neuroquímicos descritos antes, que fomentan los cambios en el estado sueño-vigilia, la descarga de melatonina de la glándula pineal, cuya vascularización es abundante, participa en los mecanismos del sueño (fig. 14-12). Dicha glándula surge del techo del tercer ventrículo en el diencéfalo y está encapsulada por las meninges. El estroma pineal contiene células gliales y pinealocitos con características indicadoras de función secretora. Como otras glándulas endocrinas, posee capilares fenestrados muy permeables. En lactantes, la glándula pineal es grande y las células tienden a hallarse dispuestas en alvéolos. Su involución inicia antes de la pubertad y empiezan a aparecer pequeñas concreciones de fosfato y carbonato de calcio (arena pineal) en el tejido. Como las concreciones son opacas, la glándula pineal a menudo es visible en las radiografías craneales de los adultos. El desplazamiento de esta glándula calcificada de su posición normal indica la presencia de alguna lesión que ocupa espacio, como un tumor cerebral.

La melatonina y las enzimas que la sintetizan a partir de serotonina por N-acetilación y O-metilación, se encuentran en los pinealocitos de la glándula que descargan la hormona en la sangre y el líquido cefalorraquídeo (fig. 14-12). Se han detectado dos receptores de melatonina (MT₁ y MT₂₎ en neuronas del SCN; ambos son receptores acoplados a la proteína G y receptores MT₁ que inhiben la adenilil ciclasa y causan somnolencia. Los receptores MT₂ estimulan la hidrólisis de fosfoinositida y pueden intervenir en la sincronización del ciclo luz-oscuridad.

Tal vez el cambio diurno en la secreción de melatonina funcione como señal temporal para coordinar los fenómenos con el ciclo luz-oscuridad del ambiente. La síntesis y la secreción de melatonina aumentan durante el periodo de oscuridad del día y se conservan en valores bajos durante las horas iluminadas del día (fig. 14-12). Esta variación diurna en la secreción se produce gracias a la noradrenalina secretada por nervios simpáticos posganglionares, los cuales inervan la glándula pineal (fig. 14-10). La noradrenalina actúa sobre todo mediante los receptores adrenérgicos β para aumentar el cAMP intracelular, que causa aumento marcado en la actividad de la N-acetiltransferasa. Esto aumenta la síntesis y la secreción de melatonina. La melatonina circulante se metaboliza pronto en el hígado por 6-hidroxilación seguida de conjugación y más de 90% de la melatonina aparecida en la orina, está en forma de conjugados 6-hidroximelatonina y 6-sulfatoximelatonina. Se desconoce la vía por la cual el cerebro metaboliza la melatonina, pero tal vez involucre la división del núcleo indol.

Esta descarga de los nervios simpáticos hacia la glándula pineal está vinculada con el ciclo de luz y oscuridad ambiental a través de las fibras nerviosas retinohipotalámicas que llegan al SCN (fig. 14-10). Las neuronas gabérgicas del SCN inhiben las neuronas del núcleo paraventricular hipotalámico. Desde el hipotálamo, las vías descendentes convergen en las neuronas simpáticas preganglionares, las cuales a su vez inervan al ganglio cervical superior, el sitio de origen de las neuronas posganglionares en la glándula pineal.

• Los principales ritmos en el EEG son las oscilaciones α (8 a 13 Hz), β (13 a 30 Hz), θ (4 a 7 Hz), δ (0.5 a 4 Hz) y γ (30 a 80 Hz).

• El EEG tiene cierto valor para localizar procesos patológicos y es útil en la caracterización de distintos tipos de convulsiones.

• Durante todo el sueño no REM, hay alguna actividad del músculo esquelético. Es posible observar un ritmo θ durante la etapa 1 del sueño. La etapa 2 está marcada por la aparición de husos del sueño y complejos K ocasionales. En la etapa 3, domina el ritmo δ. La disminución máxima de la velocidad surge en la etapa 4 con las ondas lentas. El sueño REM se caracteriza por actividad electroencefalográfica de bajo voltaje y alta frecuencia, además de movimientos oculares errantes rápidos.

• Un adulto típico casi siempre pasa por las etapas 1 y 2, y luego permanece 70 a 100 min en las etapas 3 y 4. Después el sueño se hace más ligero y aparece un periodo de sueño REM. Este ciclo se repite a intervalos de 90 min durante toda la noche. El sueño de REM ocupa 50% del tiempo total de sueño en los recién nacidos a término; esta proporción disminuye con rapidez y se estabiliza en cerca de 25% hasta reducirse más en la vejez.

• Tal vez las transiciones de sueño a vigilia impliquen actividad recíproca alternante de distintos grupos de neuronas del sistema activador reticular. Cuando domina la acción de las neuronas que contienen noradrenalina y serotonina, disminuye la actividad de las que contienen acetilcolina, lo cual conduce a la aparición de la vigilia. El patrón inverso lleva al sueño REM. Además, la vigilia disminuye la liberación de ácido aminobutírico γ y aumenta la de histamina.

• El encauzamiento de procesos biológicos con el ciclo de luz-oscuridad está regulado por los núcleos supraquiasmáticos.

• El cambio diurno en la secreción de melatonina a partir de serotonina en la glándula pineal podría funcionar como señal temporal para coordinar los fenómenos con el ciclo de luz-oscuridad, incluido el ciclo de sueño y vigilia.