Aunque se sabe que el sueño mejora el rendimiento cognitivo, los mecanismos neuronales subyacentes, especialmente en el contexto del sueño no REM, siguen en gran medida inexplorados. Sin embargo, un nuevo estudio realizado por un equipo de investigadores de la Universidad Rice y del Centro de Restauración de Sistemas Neuronales del Hospital Metodista de Houston y del Weill Cornell Medical College, coordinado por Valentin Dragoi, de la Universidad Rice, ha descubierto un mecanismo clave por el que el sueño mejora el rendimiento neuronal y conductual, lo que podría cambiar nuestra comprensión básica de cómo el sueño optimiza el rendimiento cerebral.
El estudio, publicado en Science, muestra cómo el sueño NREM -el sueño más ligero que se experimenta durante una siesta, por ejemplo- favorece la sincronización cerebral y mejora la codificación de la información, arrojando nueva luz sobre esta fase del sueño. Los investigadores reprodujeron estos efectos mediante estimulación invasiva, lo que indica posibilidades prometedoras para futuras terapias de neuromodulación en humanos. Las implicaciones de este descubrimiento podrían allanar el camino hacia tratamientos innovadores de los trastornos del sueño e incluso métodos para mejorar el rendimiento cognitivo y conductual.
Cómo el sueño aumenta el rendimiento
La investigación incluyó un estudio de la actividad neuronal en varias áreas cerebrales de la especie macaco, mientras los animales realizaban una tarea de discriminación visual antes y después de una fase de sueño NREM de 30 minutos. Utilizando matrices de electrodos múltiples, los investigadores registraron la actividad de miles de neuronas en tres áreas cerebrales: la corteza visual primaria y media y la corteza prefrontal dorsolateral, asociadas al procesamiento visual y las funciones ejecutivas. Para confirmar que los macacos estaban en sueño NREM, los investigadores utilizaron polisomnografía para monitorizar su actividad cerebral y muscular y análisis de vídeo para asegurarse de que tenían los ojos cerrados y el cuerpo relajado. Los resultados mostraron que el sueño mejoraba el rendimiento de los animales en la tarea visual al permitirles distinguir entre imágenes rotadas con mayor precisión. Es importante destacar que esta mejora sólo se produjo en los que realmente se habían dormido: los macacos que estaban despiertos pero tranquilos, sin dormirse, no mostraron la misma mejora en el rendimiento.
«Durante el sueño, observamos un aumento de la actividad de ondas delta de baja frecuencia y descargas sincronizadas entre neuronas de distintas regiones corticales», explica la primera autora, la Dra. Natasha Kharas, antigua postdoctoranda en el laboratorio del Dr. Dragois y actualmente en cirugía neurológica en Weill Cornell. Sin embargo, después de dormir, la actividad neuronal se desincronizaba en relación con el sueño, lo que permitía a las neuronas disparar de forma más independiente. Este cambio mejoró la precisión del procesamiento de la información y el rendimiento en las tareas visuales.
Los investigadores también simularon los efectos neuronales del sueño mediante estimulación eléctrica de baja frecuencia de la corteza visual. Aplicaron una estimulación de 4 Hz para imitar la frecuencia delta observada durante el sueño NREM mientras los animales estaban despiertos. Esta estimulación artificial reprodujo el efecto de desincronización observado tras el sueño y mejoró de forma similar el rendimiento de los animales en las tareas, lo que sugiere que podrían utilizarse patrones específicos de estimulación eléctrica para imitar los beneficios cognitivos del sueño.
Desarrollo de técnicas terapéuticas de estimulación cerebral para mejorar la función cognitiva y la memoria
Según Dragoi, coautor del estudio, catedrático de Ingeniería Eléctrica e Informática de la Universidad Rice, titular de la Cátedra Presidencial Rosemary y Daniel J. Harrison III de Neuroprótesis de la Universidad Metodista de Houston y catedrático de Neurociencia de la Universidad Weill Cornell, este hallazgo es importante porque indica que algunos de los efectos restauradores y de mejora del rendimiento del sueño podrían conseguirse sin necesidad de dormir. La capacidad de reproducir la desincronización neuronal similar a la del sueño durante la vigilia abre nuevas posibilidades para mejorar el rendimiento cognitivo y perceptivo en situaciones en las que no es posible dormir, como en el caso de las personas con trastornos del sueño o en circunstancias difíciles como la exploración espacial.
Los investigadores profundizaron en sus resultados construyendo un gran modelo de red neuronal. Descubrieron que, durante el sueño, tanto las conexiones excitatorias como las inhibitorias del cerebro se debilitan, pero de forma asimétrica, de modo que las inhibitorias se debilitan más que las excitatorias, lo que provoca un aumento de la excitación. Han descubierto una solución sorprendente que el cerebro emplea después de dormir, por la que las poblaciones neuronales implicadas en la tarea disminuyen su grado de sincronización después de dormir, aunque reciban impulsos sincronizadores durante el propio sueño.
La idea de que el sueño NREM «reinicia» eficazmente el cerebro de este modo, y de que este reinicio puede imitarse artificialmente, ofrece potencial para desarrollar técnicas terapéuticas de estimulación cerebral que mejoren la función cognitiva y la memoria. «Este estudio no sólo profundiza nuestra comprensión mecanicista del papel del sueño en la función cognitiva, sino que también abre nuevos caminos al demostrar que ciertos patrones de estimulación cerebral podrían sustituir algunos beneficios del sueño, sugiriendo un futuro en el que podríamos potenciar la función cerebral independientemente del propio sueño», afirma Dragoi.
