¿Por qué necesitamos dormir? La ciencia propone una nueva respuesta

No dormir es incompatible con la vida, pero el porqué de su necesidad para los humanos constituye un misterio que la ciencia intenta desentrañar desde hace décadas. Un equipo de investigadores de Washington University in St. Louis (WashU), en Estados Unidos, ha elaborado una teoría que podría ayudar a explicar tanto el propósito del sueño, como la complejidad del cerebro.

El sueño es una necesidad básica, al igual que la comida o el agua. “Usted morirá sin él”, señala Keith Hengen, profesor asistente de biología en WashU. Pero ¿cuál es la verdadera utilidad del sueño? Durante años, lo mejor que han encontrado los investigadores al respecto es que el sueño disminuye la somnolencia, pero esto no es una explicación satisfactoria sobre un requisito clave para vivir.

Los autores del nuevo estudio rastrearon la actividad cerebral de ratas dormidas para demostrar que el cerebro necesita restablecer periódicamente su sistema operativo para alcanzar la “criticidad”, un estado que optimiza el pensamiento y el procesamiento. Hengen ha comparado el cerebro con un ordenador biológico en el que “la memoria y la experiencia durante la vigilia modifican el código poco a poco, distanciando lentamente al sistema más grande de un estado ideal. El propósito central del sueño es restaurar un estado computacional óptimo”.

Predecir el momento de dormir y despertar

Ralf Wessel, profesor de física y coautor del trabajo ha afirmado que los físicos han estado pensando en la criticidad durante más de 30 años, pero nunca imaginaron que el trabajo tendría implicaciones para el sueño. En el mundo de la física, la criticidad describe un sistema complejo que existe en el punto de inflexión entre el orden y el caos. “En un extremo, todo es completamente normal. En el otro extremo, todo es aleatorio”, dice.

Los resultados del estudio se han publicado en Nature Neuroscience y proporcionan la primera evidencia directa de que el sueño restaura el poder computacional del cerebro. Es una desviación radical de la arraigada suposición de que el sueño debe de alguna manera reponer misteriosas y desconocidas sustancias químicas que se agotan durante la fase de vigilia.

A partir de un estudio que realizaron en 2019 Hengel y Wessel, estos científicos teorizaron que aprender, pensar y estar despierto deben alejar al cerebro de la criticidad y que el sueño está perfectamente posicionado para restablecer el sistema. “Nos dimos cuenta de que esta sería una explicación realmente interesante e intuitiva para el propósito central del sueño”, ha dicho Hengen. “El sueño es una solución a nivel de sistemas para un problema a nivel de sistemas”.

“Los resultados sugieren que cada momento de vigilia aleja los circuitos cerebrales relevantes de la criticidad, y el sueño ayuda al cerebro a restablecerse”

Los investigadores decidieron probar su teoría sobre el papel de la criticidad en el sueño y para ello rastrearon los picos de muchas neuronas en los cerebros de ratas jóvenes durante sus patrones normales de sueño y vigilia. “Se pueden seguir estas pequeñas cascadas de actividad a través de la red neuronal”, explica Hengen. Estas cascadas o avalanchas neuronales reflejan cómo fluye la información a través del cerebro, dijo. “En momentos críticos, pueden ocurrir avalanchas de todos los tamaños y duraciones. Lejos de la criticidad, el sistema se inclina hacia avalanchas pequeñas o grandes. Esto es semejante a escribir un libro y poder utilizar sólo palabras cortas o largas”.

Tal como habían previsto, se produjeron avalanchas de todos los tamaños en las ratas que acababan de despertar de un sueño reparador. A lo largo de la vigilia, las cascadas comenzaron a cambiar adoptando tamaños cada vez más pequeños. Los investigadores descubrieron que podían predecir cuándo las ratas estaban a punto de irse a dormir o despertarse siguiendo la distribución de las avalanchas. Cuando el tamaño de las cascadas se redujo hasta cierto punto, el sueño no estaba muy lejos. “Los resultados sugieren que cada momento de vigilia aleja los circuitos cerebrales relevantes de la criticidad, y el sueño ayuda al cerebro a restablecerse”, dijo Hengen.

Cuando la física se une a la biología

Cuando los físicos desarrollaron por primera vez el concepto de criticidad a finales de la década de los 80, estaban observando montones de arena en una cuadrícula similar a un tablero de ajedrez, un escenario muy diferente del cerebro, pero que aportó una información importante, según Wessel. Si se dejan caer miles de granos en la cuadrícula siguiendo reglas simples, las pilas alcanzan con rapidez un estado crítico donde las avalanchas, tanto grandes como pequeñas, pueden comenzar sin previo aviso, y los montones de un cuadrado comienzan a extenderse a los demás. “Todo el sistema se organiza en algo extremadamente complejo”, indica.

Las avalanchas neuronales que tienen lugar en el cerebro se parecen mucho a las avalanchas de arena en una cuadrícula, afirma Wessel. En cada caso, las cascadas son el sello distintivo de un sistema que ha alcanzado su estado más complejo.

Según Hengen, cada neurona es como un grano de arena individual que sigue unas reglas muy básicas. Las neuronas son esencialmente interruptores de encendido/apagado que deciden si se activan o no basándose en entradas directas. Si billones de neuronas pueden alcanzar el punto crítico (el punto óptimo entre demasiado orden y demasiado caos), pueden colaborar para formar algo complejo y maravilloso. “La criticidad maximiza una serie de características que parecen muy deseables para un cerebro”, concluye Hengen.