"Hay un momento para todo y un tiempo para cada cosa bajo el sol,
un tiempo para nacer y un tiempo para morir,
un tiempo para plantar y un tiempo para arrancar lo plantado"
Eclesiastés
Para muchos el final de agosto y la llegada de septiembre marcan el final de las vacaciones de verano y la vuelta a la rutina. Se acabó levantarse tarde y vivir sin horarios, va siendo hora de poner en marcha la alarma del despertador y madrugar de nuevo. Por cierto, ¿cuántas veces has mirado tu reloj a lo largo del día de hoy? Muy probablemente hayas empezado el día dependiendo del reloj despertador y en la primera hora le hayas echado un vistazo un par de veces para asegurarte que llegabas a tiempo a clase o al trabajo. Lo habrás vuelto a mirar para saber cuándo llegaba la hora del almuerzo o la comida. También lo habrás consultado para saber la hora a la que empieza alguna serie o película, cuándo vas al gimnasio o para llegar a tiempo a cenar con tus amigos. Vivimos pegados al reloj, el horario marca nuestro día y no podríamos organizarnos sin saber continuamente qué hora es. No obstante, el ser humano no siempre ha tenido a su alcance el reloj y el resto de especies animales jamás han usado ni usarán este instrumento.
El tiempo ha existido desde el primer momento de nuestro universo y su avance es una realidad indiscutible para todos los elementos del mismo. Desde la aparición de la vida en la Tierra hace unos 4.500 millones de años los organismos que viven en ella se han ajustado al transcurso del tiempo y las distintas variaciones que con él acontecen (el día, las estaciones, los años) a través de diversos métodos, de forma que adaptarse al paso del tiempo y poder predecir ciertos acontecimientos ha supuesto una ventaja para su supervivencia.
En la entrada de hoy comentaremos las principales características de los "relojes biológicos", las implicaciones que tienen los ritmos circadianos en la biología del ser humano y centraremos nuestra atención en uno de los más importantes ritmos biológicos, el de sueño-vigilia.
Fundamentos de los ritmos biológicos en los seres vivos
- El orden rítmico de los seres vivos
El cuerpo humano también ha desarrollado sus propios métodos de ordenación pero, frente a los constructos estáticos que el hombre ha inventado, nuestros sistemas corporales desarrollan un orden oscilante y rítmico, que varía a lo largo del tiempo siguiendo ciertas secuencias. Los ritmos biológicos son cambios periódicos a lo largo del tiempo, que tienen su origen en nuestro propio organismo (son endógenos) y cuentan con la posibilidad de ajustarse a elementos externos (sincronizadores exógenos), de modo que garantizan al mismo tiempo un equilibrio y la capacidad de adaptación al medio.
- El "¿cuándo?" como pregunta fundamental de los seres vivos
"¿De dónde venimos?" o "¿hacia dónde vamos?" son quizás los mayores interrogantes de la raza humana, que han inquietado y perturbado a partes iguales a los hombres desde el momento en que desarrollaron la capacidad de razonar y percibieron su propia existencia. Sin embargo, desde mucho antes, los seres vivos han fijado su atención hacia otra pregunta tanto o incluso más importante que aquellas; nos referimos al "¿cuándo?".
La mayoría de las personas están acostumbradas a que el orden y la monotonía rijan sus vidas, sin embargo, los organismos vivos son sistemas de una extremada complejidad cuyos procesos orgánicos están en realidad muy lejos de lo que normalmente entenderíamos por estabilidad. Dado que el ambiente en el que desarrollan su actividad puede variar a lo largo del tiempo, los organismos que poseen la capacidad de anticiparse a los cambios periódicos que tienen lugar y desarrollar su actividad en paralelo a las variaciones del entorno en el que habitan presentan ventajas adaptativas frente a los que no la poseen, en otras palabras, podríamos decir que los seres vivos tienden más a la oscilación que al orden: se trata de un equilibrio dinámico.
La mayoría de las personas están acostumbradas a que el orden y la monotonía rijan sus vidas, sin embargo, los organismos vivos son sistemas de una extremada complejidad cuyos procesos orgánicos están en realidad muy lejos de lo que normalmente entenderíamos por estabilidad. Dado que el ambiente en el que desarrollan su actividad puede variar a lo largo del tiempo, los organismos que poseen la capacidad de anticiparse a los cambios periódicos que tienen lugar y desarrollar su actividad en paralelo a las variaciones del entorno en el que habitan presentan ventajas adaptativas frente a los que no la poseen, en otras palabras, podríamos decir que los seres vivos tienden más a la oscilación que al orden: se trata de un equilibrio dinámico.
Cómo surge el primer ritmo biológico es a día de hoy motivo de controversia. Parece ser que los mecanismos de reproducción de ciertas especies de cianobacterias (que aparecen en el planeta Tierra hace 2000-3000 millones de años) se regían por un ritmo circadiano. Dado que se trata de organismos que recurren a la fotosíntesis para la obtención de energía, la alternancia día-noche constituyó un factor de suma importancia en su supervivencia. La luz del sol permitía a las cianobacterias obtener energía pero, al mismo tiempo, las radiaciones ultravioletas que se filtraban a través de la atmósfera primigenia podrían dañar el ADN, por lo que se especula que este sistema circadiano primordial contaría no solo con ritmos relacionados con la producción y el almacenamiento de energía, sino también con ritmos que modificaban la estructura del material genético a lo largo del día.
Organismos más complejos serían capaces de desarrollar ritmos para un mayor número de funciones corporales si bien la duración del día continuaría siendo el principal factor regulador. Resulta casi imposible remontarse al momento exacto de aparición de un sistema circadiano organizado en vertebrados, aunque algunos investigadores postulan que éste sería tan antiguo como los propios vertebrados.
- Tipos de ritmos biológicos y su importancia
En resumen, podemos hacernos una idea de la complejidad y la variabilidad de ritmos biológicos presentes en un mismo organismo, y de cómo la integración y el funcionamiento combinado de ellos ha provisto a las especies de un excelente mecanismo de adaptabilidad al medio.
Organismos más complejos serían capaces de desarrollar ritmos para un mayor número de funciones corporales si bien la duración del día continuaría siendo el principal factor regulador. Resulta casi imposible remontarse al momento exacto de aparición de un sistema circadiano organizado en vertebrados, aunque algunos investigadores postulan que éste sería tan antiguo como los propios vertebrados.
- Tipos de ritmos biológicos y su importancia
El hito fundamental en el funcionamiento del sistema circadiano es la alternancia entre el día y la noche. La luz es, sin duda alguna, el principal regulador de los ritmos biológicos ya que la actividad de la mayoría de las especies está supeditada a la presencia de luz (o a la ausencia de ella en el caso de los animales que desarrollan su actividad durante la noche). En la Tierra el día dura aproximadamente 24 horas, por lo que los principales ritmos se ajustan a un tiempo aproximado de 20-28 horas, denominándose estos ritmos circadianos. Como es posible observar, un ritmo circadiano no tiene porqué tener una duración fija de 24 horas. Esto se debe a que nuestro sistema circadiano tiene cierta capacidad de ajuste, y aunque ha evolucionado para funcionar a lo largo de un día convencional, determinadas situaciones que impliquen variaciones en la duración del día o la noche percibidos (como pueden ser las migraciones) no producen alteraciones significativas.
El total de horas de sol presentes en un día recibe el nombre de fotoperiodo. La duración del fotoperiodo varía a lo largo del año, siendo un factor regulador en importantes hechos de la vida de los seres vivos, como las migraciones, los periodos de hibernación o las épocas de reproducción. Los ritmos que tienen un periodo superior a 28 horas reciben el nombre de infradianos; en el caso particular de los ritmos anuales, con periodos de 365 días aproximadamente, se utiliza el término circanual. Los ritmos circanuales tienen una gran importancia en la adaptación de los organismos a los cambios climáticos del medio ambiente en el que habitan y, en definitiva, para su supervivencia. En las latidudes extremas del planeta, donde los días pueden ser persistentemente largos o cortos según la estación, determinadas especies han desarrollado la capacidad de alternar ritmos de distinto periodo a lo largo del año, adaptándose a las condiciones ambientales; otro ejemplo de la flexibilidad y capacidad de adaptación del sistema circadiano.
Otro ritmo infradiano de importancia es el de la menstruación, que en la mujer tiene un periodo de 28 días, por lo que se denomina a este ritmo circalunar.
En el cuerpo humano, los ritmos con periodos inferiores a 20 horas son muy abundantes, aunque no han sido tan bien estudiados ni caracterizados. Estos ritmos, denominados ultradianos, parecen no estar sincronizados a ningún factor ambiental, sino que estarían únicamente regulados por los mecanismos de control centrales del sistema circadiano. Algunos ejemplos de estos ritmos serían los ciclos de sueño REM-no REM, el movimiento peristáltico de los intestinos, los ritmos cardiaco y respiratorio, o la secreción en picos de algunas hormonas (LH y FSH).
Ejemplo de ritmo circadiano de una sustancia que se sintetiza durante el día -
El total de horas de sol presentes en un día recibe el nombre de fotoperiodo. La duración del fotoperiodo varía a lo largo del año, siendo un factor regulador en importantes hechos de la vida de los seres vivos, como las migraciones, los periodos de hibernación o las épocas de reproducción. Los ritmos que tienen un periodo superior a 28 horas reciben el nombre de infradianos; en el caso particular de los ritmos anuales, con periodos de 365 días aproximadamente, se utiliza el término circanual. Los ritmos circanuales tienen una gran importancia en la adaptación de los organismos a los cambios climáticos del medio ambiente en el que habitan y, en definitiva, para su supervivencia. En las latidudes extremas del planeta, donde los días pueden ser persistentemente largos o cortos según la estación, determinadas especies han desarrollado la capacidad de alternar ritmos de distinto periodo a lo largo del año, adaptándose a las condiciones ambientales; otro ejemplo de la flexibilidad y capacidad de adaptación del sistema circadiano.
- Duración del fotoperiodo en distintas latitudes a lo largo del año -
Otro ritmo infradiano de importancia es el de la menstruación, que en la mujer tiene un periodo de 28 días, por lo que se denomina a este ritmo circalunar.
En el cuerpo humano, los ritmos con periodos inferiores a 20 horas son muy abundantes, aunque no han sido tan bien estudiados ni caracterizados. Estos ritmos, denominados ultradianos, parecen no estar sincronizados a ningún factor ambiental, sino que estarían únicamente regulados por los mecanismos de control centrales del sistema circadiano. Algunos ejemplos de estos ritmos serían los ciclos de sueño REM-no REM, el movimiento peristáltico de los intestinos, los ritmos cardiaco y respiratorio, o la secreción en picos de algunas hormonas (LH y FSH).
En resumen, podemos hacernos una idea de la complejidad y la variabilidad de ritmos biológicos presentes en un mismo organismo, y de cómo la integración y el funcionamiento combinado de ellos ha provisto a las especies de un excelente mecanismo de adaptabilidad al medio.
Estructura del sistema circadiano en humanos
- La medida del tiempo en el cuerpo humano
Ya hemos visto que la medida del tiempo es fundamental para los seres vivos. En el caso de los seres humanos, contamos con hasta cuatro sistemas distintos capaces de medir el paso del tiempo.
El sistema circadiano se podría considerar como el más importante de los relojes biológicos. Controla los ritmos que siguen periodos determinados de tiempo, como los ciclos sueño-vigilia o la secreción de algunas hormonas y, además, tiene capacidad de regular otros sistemas.
Determinadas estructuras cerebrales (ganglios de la base) actúan como relojes de intervalo específico. Su función es identificar acontecimientos que tienen lugar en un momento y con una duración concretos (horas, minutos o segundos) de modo que siempre responden con la misma acción cuando el evento se repite, por ejemplo, prepararnos para acelerar cuando prevemos que el semáforo va a ponerse en verde. Pero además, pueden verse influenciados por acontecimientos externos, estados de ánimo o distintas sustancias, de modo que nuestra percepción subjetiva del tiempo cambia: el tiempo pasa más rápido cuando somos felices, pero también hay drogas como la cocaína que pueden ejercer el mismo efecto o, por el contrario, otras como la marihuana hacen que el tiempo parezca enlentecerse.
Nuestras células también cuentan con mecanismos intrínsecos que indican el tiempo que han vivido. El sistema más importante lo constituyen los telómeros, extremos de los cromosomas que se acortan cada vez que la célula se reproduce. Llegados a un límite de acortamiento, la célula deja de dividirse y muere de forma controlada y programada (apoptosis). En la imagen a continuación pueden verse los telómeros al microscopio marcados con tinción amarillo fluorescente.
Pero además, los seres humanos somos los únicos animales conscientes del tiempo durante el que hemos vivido, y somos capaces de asociar diversos acontecimientos a marcas temporales, de forma que sabemos si un hecho importante ha ocurrido ayer, la semana pasada o hace un año. Con el paso de los años, solo los hechos de mayor trascendencia permanecen en nuestro recuerdo consciente: recordamos el día de nuestra graduación, nuestra boda o el nacimiento de nuestros hijos aunque hayan pasado años, y sin embargo no podemos recordar qué platos comimos exactamente hace un par de semanas, incluso puede que nos cueste recordar qué película vimos ayer por la noche en la televisión.
- El núcleo supraquiasmático, marcapasos del sistema circadiano
Ya hemos visto que la medida del tiempo es fundamental para los seres vivos. En el caso de los seres humanos, contamos con hasta cuatro sistemas distintos capaces de medir el paso del tiempo.
El sistema circadiano se podría considerar como el más importante de los relojes biológicos. Controla los ritmos que siguen periodos determinados de tiempo, como los ciclos sueño-vigilia o la secreción de algunas hormonas y, además, tiene capacidad de regular otros sistemas.
Determinadas estructuras cerebrales (ganglios de la base) actúan como relojes de intervalo específico. Su función es identificar acontecimientos que tienen lugar en un momento y con una duración concretos (horas, minutos o segundos) de modo que siempre responden con la misma acción cuando el evento se repite, por ejemplo, prepararnos para acelerar cuando prevemos que el semáforo va a ponerse en verde. Pero además, pueden verse influenciados por acontecimientos externos, estados de ánimo o distintas sustancias, de modo que nuestra percepción subjetiva del tiempo cambia: el tiempo pasa más rápido cuando somos felices, pero también hay drogas como la cocaína que pueden ejercer el mismo efecto o, por el contrario, otras como la marihuana hacen que el tiempo parezca enlentecerse.
Nuestras células también cuentan con mecanismos intrínsecos que indican el tiempo que han vivido. El sistema más importante lo constituyen los telómeros, extremos de los cromosomas que se acortan cada vez que la célula se reproduce. Llegados a un límite de acortamiento, la célula deja de dividirse y muere de forma controlada y programada (apoptosis). En la imagen a continuación pueden verse los telómeros al microscopio marcados con tinción amarillo fluorescente.
Pero además, los seres humanos somos los únicos animales conscientes del tiempo durante el que hemos vivido, y somos capaces de asociar diversos acontecimientos a marcas temporales, de forma que sabemos si un hecho importante ha ocurrido ayer, la semana pasada o hace un año. Con el paso de los años, solo los hechos de mayor trascendencia permanecen en nuestro recuerdo consciente: recordamos el día de nuestra graduación, nuestra boda o el nacimiento de nuestros hijos aunque hayan pasado años, y sin embargo no podemos recordar qué platos comimos exactamente hace un par de semanas, incluso puede que nos cueste recordar qué película vimos ayer por la noche en la televisión.
- El núcleo supraquiasmático, marcapasos del sistema circadiano
El cuerpo humano es un complejo y variado conjunto de órganos, aparatos y sistemas constituidos por distintos tipos celulares que pueden desarrollar distintos ritmos y funciones, pero cuya actividad global debe estar finamente regulada y sincronizada. Con el avance del estudio de los ritmos biológicos se empieza a encontrar que distintos órganos y tejidos son capaces de producir sus propios ritmos y funcionar de forma oscilatoria, pero todos ellos están supeditados a la actividad de un sistema tipo "marcapasos" que se encuentra situado en el núcleo supraquiasmático del hipotálamo.
El núcleo supraquiasmático es un grupo de unas 20.000 neuronas en humanos que presentan dos zonas diferenciadas. La zona dorsomedial posee células con capacidad para generar ritmos, en tanto que la zona ventrolateral va a recibir información sobre la presencia o ausencia de luz ambiental. Con este fin, la zona ventrolateral del núcleo supraquiasmático se encuentra conectada con la retina a través del tracto retinohipotalámico. En la retina existen determinadas células cuya función es detectar los estímulos luminosos (no se emplean para ver y funcionan incluso en personas ciegas) y enviarlos hasta el núcleo supraquiasmático, generando los ritmos circadianos. A su vez, el núcleo supraquiasmático se encuentra conectado con la pineal o epífisis, una pequeña glándula situada en la zona central del cerebro entre los dos hemisferios.
El núcleo supraquiasmático tiene dos funciones principales. Por un lado gestiona los ritmos circadianos de sueño-vigilia, temperatura y actividad motora y por otro, a través de la melatonina, hormona producida por la glándula pineal, transmite el mensaje de "oscuridad química" al resto de tejidos, regulando su función.
- Papel de la glándula pineal y efectos de la melatonina
La glándula pineal sintetiza melatonina a partir del aminoácido triptófano y la secreta a sangre y líquido cefalorraquídeo siempre que hay oscuridad, independientemente de si el animal tiene actividad diurna o nocturna. La función de la melatonina es informar a las células de la presencia de oscuridad ambiental; se suele usar el término de "oscuridad química" ya que las células del cuerpo humano no tienen capacidad fotorreceptora, es decir, no ven la luz pero a través de la melatonina saben cuándo ésta está presente o ausente. Otros órganos producen melatonina, pero su función no parece estar tan clara; así, por ejemplo, en el intestino la melatonina tendría función sincronizadora de los ritmos de alimentación en combinación con el horario de comidas, mientras que en la retina ejercería un efecto antioxidante.
Una de las principales funciones de la melatonina es la regulación de los ciclos sueño-vigilia, para lo cual actúa coordinadamente con el núcleo supraquiasmático. La presencia de luz inhibe la secreción de melatonina mientras que la oscuridad supone un estímulo para su producción, de modo que su concentración es mayor en los momentos cercanos al sueño. La regulación del sueño implica además a otros ritmos como el de temperatura; así, en los seres humanos, se produce un descenso de temperatura a nivel central y un aumento a nivel periférico (a algunas personas les cuesta dormir teniendo los pies fríos precisamente porque no se ha producido el descenso de temperatura central).
La melatonina tiene también una función reguladora de la reproducción al informar de la duración del fotoperiodo e indicar así a los animales la época del año más favorable para el apareamiento. Su efecto es antigonadal, es decir, niveles elevados de melatonina inhiben el desarrollo sexual. Esto explica porqué las mujeres que habitan en climas más cercanos al ecuador, donde hay mayor número de horas de sol a lo largo de todo el año y menor variación del fotoperiodo entre otoño e invierno, alcanzan la pubertad años antes que las mujeres de climas templados. En la imagen inferior (de Sack, R. L. et. al.) puede observarse cómo varían la amplitud y duración del pico de producción de melatonina en verano e invierno.
Además, la melatonina podría estimular la función del sistema inmunitario, potenciando la acción de los linfocitos contra infecciones; ejercer efectos antiinflamatorios a nivel del sistema nervioso (en modelos animales); o actuar como antioxidante protegiendo a las células del estrés oxidativo producido por radicales libres o ciertos tóxicos.
En los últimos años empiezan a surgir estudios (aún con resultados preliminares) que señalan ciertas mejoras en la calidad de vida y un ligero aumento de supervivencia en pacientes terminales con ciertos tumores a los que se les administró suplementación con melatonina. Este efecto podría estar mediado por la estimulación del sistema de vigilancia contra tumores que realizan algunas células del sistema inmunitario, aunque también se ha especulado que se trate de un efecto indirecto consecuencia de la mejoría de los ciclos sueño-vigilia, por lo que quedan pendientes estudios más concluyentes.
Otro efecto sobre el que se ha teorizado es la mejora de la calidad de vida durante la senectud. Dado que en el envejecimiento se producen alteraciones de los ritmos circadianos, las propiedades "resincronizadoras" de la melatonina junto a su efecto antioxidante podrían ayudar a prolongar la supervivencia. Curiosamente la restricción calórica (que se relaciona con un retraso del envejecimiento) incrementa los niveles de melatonina.
- Osciladores periféricos y sincronizadores
Para acabar nuestro paseo por los componentes del sistema circadiano vamos a citar brevemente dos componentes más, los osciladores periféricos y los sincronizadores.
Denominamos osciladores periféricos (o simplemente osciladores) a todas aquellas células y tejidos que pueden desarrollar ritmos. Estos ritmos pueden ser de curso libre, es decir, seguir su propio periodo en ausencia de un estímulo director; o sincronizarse a un marcapasos de mayor potencia (básicamente el NSQ y los ritmos de melatonina). Cualquier elemento del organismo con receptores para melatonina puede sincronizarse al funcionamiento del sistema circadiano y seguir ritmos; es el caso de las glándulas suprarrenales, el intestino, el bazo, el hígado, los riñones, los linfocitos y otras células del sistema inmunitario, el tejido adiposo, los músculos, la piel e incluso el cerebro.
Los sincronizadores (que en Cronobiología suelen denominarse con el término alemán zeitgeber) son todos los estímulos externos que pueden sincronizar un ritmo, es decir, el sistema circadiano es capaz de acoplarse al sincronizador y funcionar con el mismo periodo. El zeitgeber más importante para los seres vivos, como llevamos comentando durante toda la entrada, es la luz del sol, que recordemos tiene un doble papel: indicar la duración de cada día e indicar la época del año mediante la duración del fotoperiodo. En la imagen a continuación se puede observar el efecto sincronizador de la luz en un ritmo biológico. Expuesto a luz continua (superior), el ritmo sigue un curso libre, con un periodo superior a 24 horas; cuando se expone a una alternancia de 12 horas de luz y 12 horas de oscuridad, el ritmo se sincroniza a estos estímulos, pasando a tener un periodo exacto de 24 horas.
Otro sincronizador de importancia es la temperatura, cuya influencia se correlaciona con la de la luz. Ciertos factores como el ejercicio, el horario de comidas o las interacciones sociales pueden actuar también regulando el funcionamiento del sistema circadiano.
El "sueno reparador", clave en la salud del sistema circadiano
- Alteraciones del ciclo sueño-vigilia y patología en humanos
El correcto funcionamiento del ciclo sueño vigilia puede alterarse por muy diversas circunstancias. Así por ejemplo, lesiones anatómicas o funcionales en cualquiera de los puntos del sistema circadiano (desde las células fotorreceptoras de la retina hasta la glándula pineal) pueden ocasionar patología alterando la secreción de melatonina o desincronizando otros ritmos; algunas enfermedades se caracteriza por la pérdida de ritmos circadianos en células y órganos afectados No obstante, hemos visto que el sincronizador más importante para los ritmos biológicos es la luz, por lo que de igual forma que la luz solar puede actuar regulando el funcionamiento del sistema circadiano parece lógico pensar que una exposición deficiente o excesiva a la luz puede actuar disregulando el mismo.
La luz del día tiene una intensidad de entre 30.000 y 100.000 luxes, mientras que la máxima intensidad en una noche de luna llena con cielo despejado es de 1 lux. Teniendo en cuenta estos parámetros, bien podríamos decir que nuestro sistema circadiano evolucionó para ser capaz de percibir diferencias claras entre el día y la noche.
En la actualidad, sin embargo, la iluminación es prácticamente constante a lo largo del día. Pasamos muchas horas en el trabajo, expuestos a luces artificiales, las cuales tienen menor intensidad que la luz solar y un espectro diferente; apenas nos exponemos a la luz solar y por la noche continuamos algunas horas más con iluminación artificial de nuestras lámparas, para culminar el día viendo la televisión y revisando el móvil o el ordenador antes de dormir.
La luz artificial genera en nuestro sistema circadiano un estímulo similar a la luz solar. En las luces de interior y las pantallas de televisión y otros dispositivos electrónicos predomina el extremo azul del espectro visible, que ejerce un efecto inhibitorio sobre la secreción de melatonina; en la imagen inferior se muestra el espectro completo de luz visible y una línea blanca que delimita la región del espectro capaz de suprimir la secreción de melatonina
De nuevo, el ser humano ha pretendido imponer su particular concepto de orden, alterando los auténticos ritmos biológicos. El correcto funcionamiento de nuestro ritmo de sueño-vigilia implica que el sistema circadiano sea capaz de sincronizarse a una alternancia de luz: alta intensidad y predominio del espectro azul durante el día frente a baja intensidad y predominio del espectro naranja durante la noche; de hecho, se sabe que las luces del espectro naranja no interfieren en la secreción de melatonina y es quizás ese el motivo por el cual los primeros métodos de iluminación artificial (velas, candiles, faroles) no causaban grandes interferencias en el sueño. La auténtica alteración surge con el alumbrado eléctrico y los hábitos de vida nocturnos, pretendiendo alargar los días más de lo que nuestro cuerpo está preparado para soportar.
Como señalan algunas fuentes, un tercio de la población admite ser incapaz de cumplir las típicas recomendaciones de "dormir 8 horas diarias" y hasta dos tercios refieren haber tenido alguna vez problemas para conciliar el sueño, sensación fatiga y bajo rendimiento tras un sueño poco reparador o incluso cambios de humor motivados por malas condiciones de sueño. Existe relación evidenciable entre dormir mal y el desarrollo de patología en humanos. Dormir menos de lo necesario (ajustando las necesidades personales de sueño a cada individuo) o ser incapaz de desarrollar un sueño reparador se ha relacionado con el incremento de enfermedades cardiovasculares; es considerado factor de riesgo de diabetes, trastornos del estado del ánimo, problemas de aprendizaje y memoria; ocasiona alteraciones metabólicas que pueden dificultar la pérdida de peso, compromete la recuperación tras el ejercicio e incluso incrementa la incidencia de accidentes laborales o automovilísticos.
El núcleo supraquiasmático es un grupo de unas 20.000 neuronas en humanos que presentan dos zonas diferenciadas. La zona dorsomedial posee células con capacidad para generar ritmos, en tanto que la zona ventrolateral va a recibir información sobre la presencia o ausencia de luz ambiental. Con este fin, la zona ventrolateral del núcleo supraquiasmático se encuentra conectada con la retina a través del tracto retinohipotalámico. En la retina existen determinadas células cuya función es detectar los estímulos luminosos (no se emplean para ver y funcionan incluso en personas ciegas) y enviarlos hasta el núcleo supraquiasmático, generando los ritmos circadianos. A su vez, el núcleo supraquiasmático se encuentra conectado con la pineal o epífisis, una pequeña glándula situada en la zona central del cerebro entre los dos hemisferios.
El núcleo supraquiasmático tiene dos funciones principales. Por un lado gestiona los ritmos circadianos de sueño-vigilia, temperatura y actividad motora y por otro, a través de la melatonina, hormona producida por la glándula pineal, transmite el mensaje de "oscuridad química" al resto de tejidos, regulando su función.
- Papel de la glándula pineal y efectos de la melatonina
La glándula pineal sintetiza melatonina a partir del aminoácido triptófano y la secreta a sangre y líquido cefalorraquídeo siempre que hay oscuridad, independientemente de si el animal tiene actividad diurna o nocturna. La función de la melatonina es informar a las células de la presencia de oscuridad ambiental; se suele usar el término de "oscuridad química" ya que las células del cuerpo humano no tienen capacidad fotorreceptora, es decir, no ven la luz pero a través de la melatonina saben cuándo ésta está presente o ausente. Otros órganos producen melatonina, pero su función no parece estar tan clara; así, por ejemplo, en el intestino la melatonina tendría función sincronizadora de los ritmos de alimentación en combinación con el horario de comidas, mientras que en la retina ejercería un efecto antioxidante.
Una de las principales funciones de la melatonina es la regulación de los ciclos sueño-vigilia, para lo cual actúa coordinadamente con el núcleo supraquiasmático. La presencia de luz inhibe la secreción de melatonina mientras que la oscuridad supone un estímulo para su producción, de modo que su concentración es mayor en los momentos cercanos al sueño. La regulación del sueño implica además a otros ritmos como el de temperatura; así, en los seres humanos, se produce un descenso de temperatura a nivel central y un aumento a nivel periférico (a algunas personas les cuesta dormir teniendo los pies fríos precisamente porque no se ha producido el descenso de temperatura central).
La melatonina tiene también una función reguladora de la reproducción al informar de la duración del fotoperiodo e indicar así a los animales la época del año más favorable para el apareamiento. Su efecto es antigonadal, es decir, niveles elevados de melatonina inhiben el desarrollo sexual. Esto explica porqué las mujeres que habitan en climas más cercanos al ecuador, donde hay mayor número de horas de sol a lo largo de todo el año y menor variación del fotoperiodo entre otoño e invierno, alcanzan la pubertad años antes que las mujeres de climas templados. En la imagen inferior (de Sack, R. L. et. al.) puede observarse cómo varían la amplitud y duración del pico de producción de melatonina en verano e invierno.
Además, la melatonina podría estimular la función del sistema inmunitario, potenciando la acción de los linfocitos contra infecciones; ejercer efectos antiinflamatorios a nivel del sistema nervioso (en modelos animales); o actuar como antioxidante protegiendo a las células del estrés oxidativo producido por radicales libres o ciertos tóxicos.
En los últimos años empiezan a surgir estudios (aún con resultados preliminares) que señalan ciertas mejoras en la calidad de vida y un ligero aumento de supervivencia en pacientes terminales con ciertos tumores a los que se les administró suplementación con melatonina. Este efecto podría estar mediado por la estimulación del sistema de vigilancia contra tumores que realizan algunas células del sistema inmunitario, aunque también se ha especulado que se trate de un efecto indirecto consecuencia de la mejoría de los ciclos sueño-vigilia, por lo que quedan pendientes estudios más concluyentes.
Otro efecto sobre el que se ha teorizado es la mejora de la calidad de vida durante la senectud. Dado que en el envejecimiento se producen alteraciones de los ritmos circadianos, las propiedades "resincronizadoras" de la melatonina junto a su efecto antioxidante podrían ayudar a prolongar la supervivencia. Curiosamente la restricción calórica (que se relaciona con un retraso del envejecimiento) incrementa los niveles de melatonina.
- Osciladores periféricos y sincronizadores
Para acabar nuestro paseo por los componentes del sistema circadiano vamos a citar brevemente dos componentes más, los osciladores periféricos y los sincronizadores.
Denominamos osciladores periféricos (o simplemente osciladores) a todas aquellas células y tejidos que pueden desarrollar ritmos. Estos ritmos pueden ser de curso libre, es decir, seguir su propio periodo en ausencia de un estímulo director; o sincronizarse a un marcapasos de mayor potencia (básicamente el NSQ y los ritmos de melatonina). Cualquier elemento del organismo con receptores para melatonina puede sincronizarse al funcionamiento del sistema circadiano y seguir ritmos; es el caso de las glándulas suprarrenales, el intestino, el bazo, el hígado, los riñones, los linfocitos y otras células del sistema inmunitario, el tejido adiposo, los músculos, la piel e incluso el cerebro.
Los sincronizadores (que en Cronobiología suelen denominarse con el término alemán zeitgeber) son todos los estímulos externos que pueden sincronizar un ritmo, es decir, el sistema circadiano es capaz de acoplarse al sincronizador y funcionar con el mismo periodo. El zeitgeber más importante para los seres vivos, como llevamos comentando durante toda la entrada, es la luz del sol, que recordemos tiene un doble papel: indicar la duración de cada día e indicar la época del año mediante la duración del fotoperiodo. En la imagen a continuación se puede observar el efecto sincronizador de la luz en un ritmo biológico. Expuesto a luz continua (superior), el ritmo sigue un curso libre, con un periodo superior a 24 horas; cuando se expone a una alternancia de 12 horas de luz y 12 horas de oscuridad, el ritmo se sincroniza a estos estímulos, pasando a tener un periodo exacto de 24 horas.
Otro sincronizador de importancia es la temperatura, cuya influencia se correlaciona con la de la luz. Ciertos factores como el ejercicio, el horario de comidas o las interacciones sociales pueden actuar también regulando el funcionamiento del sistema circadiano.
El "sueno reparador", clave en la salud del sistema circadiano
- Alteraciones del ciclo sueño-vigilia y patología en humanos
El correcto funcionamiento del ciclo sueño vigilia puede alterarse por muy diversas circunstancias. Así por ejemplo, lesiones anatómicas o funcionales en cualquiera de los puntos del sistema circadiano (desde las células fotorreceptoras de la retina hasta la glándula pineal) pueden ocasionar patología alterando la secreción de melatonina o desincronizando otros ritmos; algunas enfermedades se caracteriza por la pérdida de ritmos circadianos en células y órganos afectados No obstante, hemos visto que el sincronizador más importante para los ritmos biológicos es la luz, por lo que de igual forma que la luz solar puede actuar regulando el funcionamiento del sistema circadiano parece lógico pensar que una exposición deficiente o excesiva a la luz puede actuar disregulando el mismo.
La luz del día tiene una intensidad de entre 30.000 y 100.000 luxes, mientras que la máxima intensidad en una noche de luna llena con cielo despejado es de 1 lux. Teniendo en cuenta estos parámetros, bien podríamos decir que nuestro sistema circadiano evolucionó para ser capaz de percibir diferencias claras entre el día y la noche.
En la actualidad, sin embargo, la iluminación es prácticamente constante a lo largo del día. Pasamos muchas horas en el trabajo, expuestos a luces artificiales, las cuales tienen menor intensidad que la luz solar y un espectro diferente; apenas nos exponemos a la luz solar y por la noche continuamos algunas horas más con iluminación artificial de nuestras lámparas, para culminar el día viendo la televisión y revisando el móvil o el ordenador antes de dormir.
Comparativa de espectro de luz solar (izq.), luz led (centro) y luz incandescente (der.)
La luz artificial genera en nuestro sistema circadiano un estímulo similar a la luz solar. En las luces de interior y las pantallas de televisión y otros dispositivos electrónicos predomina el extremo azul del espectro visible, que ejerce un efecto inhibitorio sobre la secreción de melatonina; en la imagen inferior se muestra el espectro completo de luz visible y una línea blanca que delimita la región del espectro capaz de suprimir la secreción de melatonina
Contaminación lumínica en la ciudad de Hong Kong (autor: Leung Hoi Kit)
- Recuperando el correcto ritmo sueño-vigilia
Si la disrupción del ritmo sueño-vigilia juega un papel en la génesis de determinadas enfermedades y puede empeorar nuestra salud parece plausible pensar que restaurar su correcto funcionamiento puede prevenir o incluso ayudar en el tratamiento de ciertas enfermedades. Con este objetivo, el conjunto de estrategias que se pueden desarrollar van a ir orientadas no solo a potenciar los estímulos que nos hacen conciliar el sueño y nos ayudan a dormir por la noche, sino también a reproducir las condiciones naturales del despertar y la vida diurna.
Dado que el ciclo sueño-vigilia se ajusta a la alternancia entre el día y la noche, el primer paso a realizar será el de ajustar nuestras actividades diarias a ésta. Por la mañana es importante exponerse a la luz de mayor intensidad disponible, idealmente lo antes posible. Dormir cerca de balcones o ventanas y despertarse con la luz solar tiene efectos beneficiosos frente al típico y tantas veces irritante sonido del despertador, aunque para muchos dejar éste de lado conlleva el riesgo de no despertarse a tiempo. Si la melatonina es de vital importancia en la conciliación del sueño, el cortisol tiene la función de propiciar el despertar, y sus concentraciones se elevan en las horas previas al mismo. Niveles excesivos de estrés, fatiga crónica o falta de sueño reparador así como el consumo de ciertos fármacos e incluso algunas patologías afectan al ritmo normal de cortisol y si éste se encuentra permanentemente elevado alterará el ritmo de sueño-vigilia, así como muchas otras funciones corporales.
De cualquier manera, y más aún si vamos a trabajar en oficinas o lugares poco iluminados, ir caminando al trabajo o pasar unos minutos en el balcón de casa o junto a la ventana puede ser una solución sencilla para muchos. Si durante el día no hemos tenido la posibilidad de exponernos a la luz solar, dar un paseo por la tarde puede resultar de utilidad. El sol tiene mala prensa en la actualidad y muchos relacionarán invariablemente la luz solar con el cáncer de piel tipo melanoma, pero lo cierto es que la exposición al sol se ha relacionado con menor incidencia de arterioesclerosis carotídea, reducción de mortalidad en pacientes en diálisis y mejoras en la capacidad cognitiva y la depresión, además de ser prácticamente imprescindible para la síntesis de vitamina D (la cual, curiosamente, tiene efecto protector frente a ciertos tumores).
Al oscurecer será el momento de reducir la exposición a luces brillantes. Dado que muchas personas no podrán (o no querrán) prescindir de televisiones, ordenadores o móviles, el empleo de filtros bloqueadores del espectro azul reducirá en parte el estímulo inhibitorio de la secreción de melatonina que ejerce la luz artificial. Existen gafas fabricadas expresamente con este propósito; también aplicaciones que eliminan parte del espectro azul de la luz de la pantallas de nuestros dispositivos electrónicos. A pesar de todo, pasar un rato tranquilo y en condiciones de baja iluminación antes de irnos a la cama puede ser mucho más sencillo.
Si la disrupción del ritmo sueño-vigilia juega un papel en la génesis de determinadas enfermedades y puede empeorar nuestra salud parece plausible pensar que restaurar su correcto funcionamiento puede prevenir o incluso ayudar en el tratamiento de ciertas enfermedades. Con este objetivo, el conjunto de estrategias que se pueden desarrollar van a ir orientadas no solo a potenciar los estímulos que nos hacen conciliar el sueño y nos ayudan a dormir por la noche, sino también a reproducir las condiciones naturales del despertar y la vida diurna.
Dado que el ciclo sueño-vigilia se ajusta a la alternancia entre el día y la noche, el primer paso a realizar será el de ajustar nuestras actividades diarias a ésta. Por la mañana es importante exponerse a la luz de mayor intensidad disponible, idealmente lo antes posible. Dormir cerca de balcones o ventanas y despertarse con la luz solar tiene efectos beneficiosos frente al típico y tantas veces irritante sonido del despertador, aunque para muchos dejar éste de lado conlleva el riesgo de no despertarse a tiempo. Si la melatonina es de vital importancia en la conciliación del sueño, el cortisol tiene la función de propiciar el despertar, y sus concentraciones se elevan en las horas previas al mismo. Niveles excesivos de estrés, fatiga crónica o falta de sueño reparador así como el consumo de ciertos fármacos e incluso algunas patologías afectan al ritmo normal de cortisol y si éste se encuentra permanentemente elevado alterará el ritmo de sueño-vigilia, así como muchas otras funciones corporales.
De cualquier manera, y más aún si vamos a trabajar en oficinas o lugares poco iluminados, ir caminando al trabajo o pasar unos minutos en el balcón de casa o junto a la ventana puede ser una solución sencilla para muchos. Si durante el día no hemos tenido la posibilidad de exponernos a la luz solar, dar un paseo por la tarde puede resultar de utilidad. El sol tiene mala prensa en la actualidad y muchos relacionarán invariablemente la luz solar con el cáncer de piel tipo melanoma, pero lo cierto es que la exposición al sol se ha relacionado con menor incidencia de arterioesclerosis carotídea, reducción de mortalidad en pacientes en diálisis y mejoras en la capacidad cognitiva y la depresión, además de ser prácticamente imprescindible para la síntesis de vitamina D (la cual, curiosamente, tiene efecto protector frente a ciertos tumores).
Al oscurecer será el momento de reducir la exposición a luces brillantes. Dado que muchas personas no podrán (o no querrán) prescindir de televisiones, ordenadores o móviles, el empleo de filtros bloqueadores del espectro azul reducirá en parte el estímulo inhibitorio de la secreción de melatonina que ejerce la luz artificial. Existen gafas fabricadas expresamente con este propósito; también aplicaciones que eliminan parte del espectro azul de la luz de la pantallas de nuestros dispositivos electrónicos. A pesar de todo, pasar un rato tranquilo y en condiciones de baja iluminación antes de irnos a la cama puede ser mucho más sencillo.
La dieta juega también un papel importante en el correcto ritmo sueño-vigilia. Los alimentos ricos en triptófano (queso, pollo, pescado, nueces o huevos) van a aportar una buena cantidad de este precursor de la melatonina. La ingesta de triptófano en el desayuno junto con la exposición solar ayuda a regular la secreción de melatonina. En el caso de la cena, si estos alimentos se acompañan de carbohidratos que mejoren su absorción el efecto será aún mayor.
Otra sustancia que se ha relacionado con la mejor calidad de sueño es el magnesio. Aunque muchos (entre los que me incluyo) hemos percibido beneficios en la suplementación con este mineral, lo cierto es que evidencia científica actual sobre su uso es limitada, por lo que su consumo debe entenderse como una posibilidad sujeta a auto-experimentación. Alimentos ricos en magnesio son los vegetales de hoja verde, el aguacate, el salmón o el cacao puro que, aunque solo contienen una pequeña cantidad, pueden agregarse a la cena combinándolos con las opciones rica en triptófano que acabamos de comentar.
Por otro lado, sustancias como la cafeína o el alcohol pueden perjudicar seriamente nuestras posibilidades de conciliar el sueño, por lo que deben ser evitadas.
Otra sustancia que se ha relacionado con la mejor calidad de sueño es el magnesio. Aunque muchos (entre los que me incluyo) hemos percibido beneficios en la suplementación con este mineral, lo cierto es que evidencia científica actual sobre su uso es limitada, por lo que su consumo debe entenderse como una posibilidad sujeta a auto-experimentación. Alimentos ricos en magnesio son los vegetales de hoja verde, el aguacate, el salmón o el cacao puro que, aunque solo contienen una pequeña cantidad, pueden agregarse a la cena combinándolos con las opciones rica en triptófano que acabamos de comentar.
Por otro lado, sustancias como la cafeína o el alcohol pueden perjudicar seriamente nuestras posibilidades de conciliar el sueño, por lo que deben ser evitadas.
- Posibilidades de la suplementación con melatonina para mejorar la salud
La suplementación con melatonina puede resultar el método más rápido para restaurar un patrón regular de sueño, por lo que parecerá la opción ideal para muchos. A la hora de suplementar con melatonina debemos tener en cuenta que la gran mayoría de efectos a largo plazo de la misma parecen deberse a la normalización de los patrones de sueño, con lo que las mejoras percibidas con su suplementación no serían inherentes a la ingesta de la misma, sino debidas a haber recuperado un sueño reparador. Es por ello que las estrategias de higiene del sueño deberían constituir el primer escalón de nuestro camino hacia el "sueño perfecto", dejando la melatonina para aquellos casos en los que otros métodos hayan fracasado.
La melatonina está siendo ampliamente estudiada, y su ingesta parece bastante segura. Dosis orales de hasta 500 mg (muy por encima de las dosis recomendadas de consumo) carecen de efectos tóxicos agudos. A largo plazo, dosis de 2 mg no se han asociado a efectos perjudiciales, pudiendo incrementar la dosis hasta los 5 mg en caso de ser necesario. Dado que la melatonina sigue un ritmo circadiano de producción, una ingesta en un momento inadecuado puede alterar el ritmo natural y no generar los efectos buscados, por lo que debemos controlar no solo la dosis sino también el tiempo de consumo. Idealmente se comenzará con 0,5 a 2 mg unos 30 minutos antes de la hora de acostarse. La melatonina no genera tolerancia ni dependencia, pudiendo mantenerse la dosis con la misma eficacia durante varios meses. Encontrada una dosis efectiva, mayor dosis no ayudará a dormir mejor o más rápido.
Son candidatos a beneficiarse de la suplementación con melatonina los trabajadores de turnos nocturnos (invierten totalmente el ritmo de actividad normal), los ancianos con patrones de sueño fragmentados (duermen en tandas cortas a lo largo del día no conciliando el sueño por las noches), o los niños en los que el insomnio es consecuencia de otra condición médica (autismo, epilepsia). Aunque también podría utilizarse como neuroprotector en pacientes con Alzheimer debido a sus efectos antioxidantes o como complemento a la quimioterapia en ciertos tipos de tumores, se necesitan más estudios en estos campos.
Hasta aquí nuestra mirada al sistema circadiano y los ritmos de sueño-vigilia. Son muchos los conceptos que hemos tenido que dejar, pues la Cronobiología es una ciencia actualmente en expansión cuya complejidad crece cada día. En posteriores entradas intentaremos explicar algunos ritmos biológicos de interés y cómo su conocimiento y control puede ayudarnos a llevar una vida más saludable.
Bibliografía
Sack, R. L., Blood, M. L., Hughes, R. J., Lewy, A. J. (1998). Circadian-Rhythm Sleep Disorders in Persons Who Are Totally Blind. Journal of Visual Impairment & Blindness, 92, (3).
Dijk, D., Winsky-Sommerer R. (2012). Sleep, New Scientist Instant Expert 20. New Scientist,213(2850), i-vii.
Ekmekcioglu C. Melatonin receptors in humans: biological role and clinical relevance. Biomed Pharmacother. 2006 Apr;60(3):97-108.
National Sleep Foundation. Annual Sleep in America Poll Exploring Connections with Communications Technology Use and Sleep. Monday, March 7, 2011. En: http://sleepfoundation.org/media-center/press-release/annual-sleep-america-poll-exploring-connections-communications-technology-use-
Patrick M. Krueger, Elliot M. Friedman. Sleep Duration in the United States: A Cross-sectional Population-based Study. Am J Epidemiol. 2009 May 1; 169(9): 1052–1063.
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La melatonina está siendo ampliamente estudiada, y su ingesta parece bastante segura. Dosis orales de hasta 500 mg (muy por encima de las dosis recomendadas de consumo) carecen de efectos tóxicos agudos. A largo plazo, dosis de 2 mg no se han asociado a efectos perjudiciales, pudiendo incrementar la dosis hasta los 5 mg en caso de ser necesario. Dado que la melatonina sigue un ritmo circadiano de producción, una ingesta en un momento inadecuado puede alterar el ritmo natural y no generar los efectos buscados, por lo que debemos controlar no solo la dosis sino también el tiempo de consumo. Idealmente se comenzará con 0,5 a 2 mg unos 30 minutos antes de la hora de acostarse. La melatonina no genera tolerancia ni dependencia, pudiendo mantenerse la dosis con la misma eficacia durante varios meses. Encontrada una dosis efectiva, mayor dosis no ayudará a dormir mejor o más rápido.
Son candidatos a beneficiarse de la suplementación con melatonina los trabajadores de turnos nocturnos (invierten totalmente el ritmo de actividad normal), los ancianos con patrones de sueño fragmentados (duermen en tandas cortas a lo largo del día no conciliando el sueño por las noches), o los niños en los que el insomnio es consecuencia de otra condición médica (autismo, epilepsia). Aunque también podría utilizarse como neuroprotector en pacientes con Alzheimer debido a sus efectos antioxidantes o como complemento a la quimioterapia en ciertos tipos de tumores, se necesitan más estudios en estos campos.
Hasta aquí nuestra mirada al sistema circadiano y los ritmos de sueño-vigilia. Son muchos los conceptos que hemos tenido que dejar, pues la Cronobiología es una ciencia actualmente en expansión cuya complejidad crece cada día. En posteriores entradas intentaremos explicar algunos ritmos biológicos de interés y cómo su conocimiento y control puede ayudarnos a llevar una vida más saludable.
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Fukushige, Haruna, et al. "Effects of tryptophan-rich breakfast and light exposure during the daytime on melatonin secretion at night." breast cancer 4 (2014): 9.
Harb, Francine, Maria Paz Hidalgo, and Betina Martau. "Lack of exposure to natural light in the workspace is associated with physiological, sleep and depressive symptoms." Chronobiology international 0 (2014): 1-8.
Kayaba, Momoko, et al. "The effect of nocturnal blue light exposure from light-emitting diodes on wakefulness and energy metabolism the following morning." Environmental health and preventive medicine 19.5 (2014): 354-361.
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Volume 10, Issue 5, 1993. pages 315-320
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