1 Sueño, vigilia y electroencefalografía Carlos Arturo Morales Vallecilla, MV, MSc. Profesor Asociado de la Escuela de Medicina Veterinaria, Facultad de Ciencias Agrarias, Universidad de Antioquia, Medellín, Colombia. 2015 Licencia: Introducción En los animales y el hombre ocurre permanentemente una alternancia entre momentos de actividad y momentos de inactividad de muchas de sus funciones biológicas. Sin duda el más notable de estos ritmos biológicos es el que se refiere a los estados de sueño y vigilia, al cual también se le denomina ciclo circadiano. Otros ritmos biológicos son: los ciclos sexuales de las hembras domésticas, las variaciones de la temperatura corporal, la secreción de diversas hormonas, los procesos fisiológicos de alimentación, la respiración y la frecuencia cardiaca, entre otros. Todos ellos controlados directa o indirectamente por el sistema nervioso (SN). Desde 1930 se descubrió que el voltaje eléctrico fluctuante que produce la actividad cerebral, podía registrarse mediante electrodos colocados en el cuero cabelludo, generando un trazado denominado electroencefalograma (EEG), el cual a partir de los años 60 del siglo XX se ha constituido en una ayuda imprescindible en los estudios de sueño y vigilia en el hombre y los animales, además de ayudar en el diagnóstico y ubicación de lesiones cerebrales como en el caso de la epilepsia. La electroencefalografía y los estudios neurofisiológicos La técnica de la electroencefalografía, utilizada principalmente en estudios fisiológicos del sueño, en la evaluación clínica del mismo (trastornos del sueño) y en el diagnóstico de muerte cerebral, está basada en la existencia de un número muy grande de neuronas en la corteza cerebral que presentan actividad eléctrica espontánea, continua y no uniforme, como resultado de las variaciones de su potencial eléctrico, la cual puede registrarse con electrodos implantados en la misma superficie cortical, generando un electrocorticograma (ECoG) o en la piel que recubre el cráneo, con lo cual se genera un electroencefalograma (EEG). Los cambios del potencial de membrana de las neuronas corticales, ocurren en gran parte por las alteraciones rítmicas de la actividad de los circuitos tálamocorticales.
2 El fenómeno electroencefalográfico está basado en la teoría de la conducción de volumen que describe la expansión de corrientes iónicas en el líquido extracelular (LEC) desde un grupo de células nerviosas o musculares hasta puntos distantes del cuerpo, como la piel, desde donde se pueden medir. Abstrayendo esta situación a una única neurona (en la cual el cambio es demasiado pequeño para poder ser observado), la actividad del EEG se explica por la alternancia de potenciales postsinápticos excitatorios (PPSE) y potenciales postsinápticos inhibitorios (PPSI), siendo los primeros los responsables de las descargas de las neuronas corticales. Los potenciales de acción contribuyen muy poco al EEG con electrodos de superficie. Gran parte de la actividad eléctrica que es registrada en el EEG proviene de las células piramidales. En el registro electroencefalográfico los cambios de voltaje que ocurren en la dirección positiva, determinan una onda hacia abajo, mientras que aquellos que ocurren en dirección negativa, determinan una onda hacia arriba. El EEG normal Desde el punto de vista la composición de las frecuencias que se generan por la mencionada actividad eléctrica de la corteza cerebral, se pueden diferenciar varios rangos de frecuencias, así (ver figura 1 y tabla 1): a. Ritmo alfa (α) b. Ritmo beta (β) c. Ritmo delta (δ) d. Ritmo theta (θ) e. Ritmo gamma (y) Ritmo alfa (α) Este ritmo se registra en adulto sano, despierto y en reposo, con los ojos cerrados. Se caracteriza por tener una frecuencia de 8-13 Hz y una amplitud de 30-50 μv. Se localiza mejor con electrodos occipitales. Un aumento de la actividad cortical se traduce en un menor ritmo α. Al cambio de ritmo α a ritmo β se le denomina bloqueo α y ocurre cuando al sujeto se le solicita que soluciones problemas matemáticos, por ejemplo, o cuando se le estimula sensitivamente y ocurre una respuesta de alerta. Ritmo beta (β) Es de mayor frecuencia que el α. Normalmente 13-30 Hz, con una amplitud menor a 20 μv. Su registro es más fácil en la corteza frontal y sustituye al ritmo α cuando el animal despierta a una luz intensa, dirige la atención hacia algún objeto o, en el caso de los humanos, se le solicita que realice operaciones matemáticas.
3 Desaparece o es muy reducido en áreas con daño cerebral acentuado o cuando el paciente está bajo el influjo de drogas hipnóticas o sedantes (benzodiacepinas y barbitúricos). Ritmo delta (δ) Aparece en las etapas 3 y 4 del sueño. Presenta una muy baja frecuencia (0,5 4,0 Hz) y una gran amplitud que oscila entre 100 y 200 μv. Aparece en el sueño profundo. Ritmo theta (θ) Es normal durante el sueño en todas las edades. No aparece en adulto despierto. Su frecuencia es de 4-8 Hz y su amplitud menor a 30 μv. Ritmo gamma (y) Su existencia es controvertida y presenta una frecuencia de 30-50 Hz. Al parecer está asociado a actividad mental superior, percepción y consciencia e integración de formas, colores y tamaño, entre otras. Figura 1. En esta imagen se pueden observar las diferencias en frecuencia y amplitud de los principales trazados electroencefalográficos. A los ritmos α y δ se les llama sincronizados y al ritmo β desincronizado
4 La amplitud (altura) de las fluctuaciones de voltaje en el registro EEG de superficie depende del número de células corticales cuyos potenciales postsinápticos cambian en la misma dirección y al mismo tiempo. Debido a que el cambio de voltaje de gran amplitud se produce por la activación sincrónica de un número grande de neuronas, se dice que el EEG de gran amplitud es sincronizado (ritmos α y δ). En contraste, cuando las neuronas se activan de forma más o menos aleatoria se obtiene un EEG de baja amplitud y alta frecuencia que se denomina desincronizado (ritmo β). En resumen el EEG puede aparecer de dos formas: a) bajo voltaje y actividad rápida (BVAR), asociado a estados de alerta o vigilia; y b) alto voltaje y actividad lenta (AVAL), asociado a estados de sueño y sedación (anestesia). La frecuencia promedio del EEG aumenta con la intensidad de la actividad cerebral. Las ondas α son propias de la vigilia en estado de relajación, mientras que las δ son características del sueño profundo, el estupor y la anestesia general. Las ondas β son las que alcanzan mayor frecuencia y aparecen durante la vigilia intensa. Ritmo Características del trazado Eventos conductuales Frecuencia: 8-13. Amplitud: 30- Adulto sano, despierto y en reposo, 50 μv. Se localiza mejor con con los ojos cerrados (conciencia electrodos occipitales. relajada). Alfa (α) Beta (β) Delta (δ) Theta (θ) Frecuencia: 13-30 Hz. Amplitud: <20 μv. Mejor registro en la corteza frontal. Muy baja frecuencia: 0,5-4,0 Hz. Gran amplitud: 100-200 μv. Frecuencia: 4-8 Hz; Amplitud: <30 μv. Sustituye al ritmo α cuando el animal despierta a una luz intensa, dirige la atención hacia algún objeto (conciencia con atención enfocada) o, en el caso de los humanos, se le solicita que realice operaciones matemáticas. Desaparece o es muy reducido cuando hay áreas con daño cerebral acentuado o en pacientes bajo efectos de drogas hipnóticas o sedantes (benzodiacepinas y barbitúricos). Etapas 3 y 4 del sueño. Característico del sueño profundo. Normal durante el sueño en todas las edades. No aparece en adulto despierto. Tabla 1. Resumen de las características y de los eventos asociados a los trazados electroencefalográficos.
5 Potenciales sensoriales evocados Muchas áreas del cerebro y la médula espinal no se reflejan en el EEG. Es necesario utilizar entonces otros registros electrofisiológicos. En la actualidad se usan sistemas computarizados que eliminan el promedio de la actividad de fondo del EEG y registran la actividad sináptica de una vía sensitiva. Para ello, el instrumento realiza un promedio de las respuestas eléctricas a diferentes estímulos aplicados a un sistema sensitivo. En resumen, son potenciales inducidos por una estimulación de tipo sensorial que hacen que sobre la actividad eléctrica espontánea constante (EEG), se superpongan una serie de respuestas más localizadas, constituidas por potenciales asociados al aumento de actividad de los sistemas receptores. Se usan en animales y humanos para comprobar la actividad funcional del tronco encefálico y fenómenos sensoriales como los auditivos y visuales, entre otros (ver figura 2). Figura 2. Potenciales evocados. Cambios en el trazado EEG cuando se pasa del estado consciente con los ojos abiertos al estado consciente con los ojos cerrados. La mayor actividad cortical coincide con un trazado de menor altura (voltaje) y mayor frecuencia. La electroencefalografía y el diagnóstico de lesiones Además de su gran utilidad para estudiar los ciclos de sueño-vigilia y definir la muerte cerebral, la electroencefalografía también es útil en el diagnóstico de focos epilépticos, por daño de la corteza cerebral, y en el diagnóstico y ubicación de hematomas subdurales, en los cuales la acumulación de líquido suele amortiguar la actividad eléctrica del área afectada. Sueño El fenómeno del sueño se caracteriza por la ausencia reversible de la conciencia, aumento del umbral para todo tipo de sensibilidad, bajo tono muscular y supresión de la motilidad espontánea, aunque algunos grupos musculares pueden estar más activos (enroscamiento en perros y gatos; músculos de la estación en caballos). Igualmente dejan de operar los reflejos tónicos propioceptivos, laberínticos y visuales, responsables del enderezamiento del cuerpo. En función del tipo de
6 actividad cerebral que se evidencie en el EEG se pueden distinguir dos tipos de sueño: a) Sueño sincronizado, caracterizado por la presencia de un EEG tipo AVAL (sueño de ondas lentas). Durante este periodo se observa el complejo K, formado por una serie corta de grandes ondas tipo α, evocadas por ciertos estímulos visuales y acústicos. En el sueño sincronizado las funciones viscerales en general están deprimidas, por dominancia de la división parasimpática del sistema nervioso autónomo. Por esto es normal observar: disminución de la frecuencia cardiaca, presión arterial, gasto cardiaco, resistencia periférica, metabolismo basal, temperatura interna y producción de orina. También se producen: descenso del volumen minuto respiratorio, aumento de la actividad digestiva, miosis, disminución del ph sanguíneo y disminución del CO 2 alveolar. La frecuencia respiratoria se mantiene normal. Varias hormonas son secretadas siguiendo un ritmo diario que es regulado por el eje hipotálamo-hipófisis. Así por ejemplo, la secreción de GH es máxima durante el sueño lento y la prolactina aumenta a medida que avanza la noche. b) Sueño desincronizado, caracterizado por la presencia, en el EEG, de ondas con un patrón BVAR, como en el estado de vigilia. Durante este periodo ocurre una pérdida profunda del tono muscular (excepto en los músculos oculares y del oído medio). Se producen movimientos oculares rápidos -MOR- o sueño REM ( rapid eyes movements ). En contraposición, al sueño sincronizado se le denomina sueño no MOR (NMOR) o no REM (NREM). Adicionalmente, en el sueño desincronizado se observa una marcada ausencia de tono en los músculos de la nuca con contracciones fásicas, especialmente en la cara y los miembros. Los signos vegetativos incluyen variaciones en la frecuencia cardiaca, aumento significativo del flujo sanguíneo cerebral y ritmo respiratorio rápido e irregular. El sueño MOR no se ha observado en peces y anfibios y está poco desarrollado en reptiles, aves y mamíferos inferiores. En animales jóvenes la mayor parte del tiempo de sueño es MOR. En el feto el EEG muestra que un 80% de las ondas detectadas corresponden a sueño MOR, disminuyendo a un 50% en animales recién nacidos. En el hombre el sueño MOR está asociado a la ensoñación (acción de soñar). Sustancias asociadas a los ciclos sueño-vigilia (circadianos) Durante los ciclos de sueño - vigilia se han podido detectar en sangre, orina y líquido cefalorraquídeo (LCR) diversas sustancias inductores de sueño como PGD 2, serotonina (se eleva durante el sueño y baja durante la vigilia) y acetilcolina, entre
7 otras. Hoy se sabe que el daño de las neuronas serotoninérgicas del sistema del rafe provoca insomnio prolongado, en tanto que la microinyección de compuestos con acción colinérgica en la formación reticular pontina induce un estado de sueño similar al sueño MOR. Por su parte el sistema noradrenérgico está activamente involucrado en el mantenimiento de la vigilia. Al parecer el sueño es inducido por la disminución de la actividad del sistema activador reticular ascendente (SARA) que, a su vez, disminuye la actividad cortical. Recordemos que el SARA es el conjunto intrincado de neuronas que asciende desde la formación reticular y transmiten su actividad a la corteza afectando la conciencia, la vigilia y la atención. Muchas de sus proyecciones hacen sinapsis con el tálamo, el hipotálamo o indirectamente con la corteza cerebral difusa. Posiblemente, proyecciones corticales difusas procedentes de regiones del tálamo (núcleo intralaminar) y del hipotálamo (hipotálamo lateral), en conjunción con proyecciones corticales directas, regulan la conciencia y la vigilia. Desde 1949, un estudio clásico de Moruzzi y Magoun, demostró que la estimulación de alta frecuencia en la formación reticular mesencefálica produce respuesta de alerta en el EEG y despierta al animal dormido. La estimulación eléctrica de la parte posterior del hipotálamo induce un despertar similar al que produce la estimulación del mesencéfalo. En contraste, la estimulación eléctrica de la parte anterior del hipotálamo y la región adyacente basal del prosencéfalo induce sueño. La estimulación eléctrica del área preóptica del hipotálamo anterior induce sueño NMOR y su destrucción induce insomnio. Características del sueño en los animales domésticos Dependiendo de la especie animal existen diferencias en los ciclos de actividad, aunque estos pueden ser influenciados por cambios ambientales y adaptativos, estos últimos relacionados con los ciclos de actividad humana (domesticación). En general los animales, según como sean sus ciclos de sueño vigilia (tabla 2), se pueden clasificar así: Animales con sueño monofásico: los cuales presentan un solo periodo de sueño cada día, usualmente por la noche. Está presente en mamíferos adultos, aves y primates. Animales con sueño polifásico: los cuales presentan varios periodos alternantes de reposo y actividad durante las 24 horas. Muchos mamíferos salvajes y los animales domésticos jóvenes presentan este tipo de sueño.
8 En general perros, gatos y cerdos duermen profundamente varias veces al día, mientras que los rumiantes duermen mucho menos tiempo, al parecer por una condición genética asociada a su posición en la cadena alimenticia como animales que son predados por otros. Normalmente las especies predadoras duermen más tiempo en comparación con las que son predadas. Tabla 2. Cuadro comparativo de la distribución de tiempos entre los estados de sueño y vigilia en diferentes especies de animales domésticas. Al dormir los animales asumen diferentes posturas, que están influenciadas por la temperatura del medio ambiente, de tal modo que cuando hace calor extienden su cuerpo, en tanto que el frío hace que se enrollen sobre sí mismos. Las aves tienden a esconder la cabeza debajo de las alas debido a su gran sensibilidad óptica. Los mamíferos suelen dormir en decúbito lateral, aunque pueden adoptar diversas posturas incluida el enroscamiento. Los rumiantes por ejemplo, duermen con los miembros replegados simétricamente bajo el cuerpo en recumbencia esternal, al parecer para evitar la aspiración del contenido regurgitado del rumen. El caballo suele dormir en estación al parecer ayudado por los sesamoideos. Solo cuando se tumban, los caballos alcanzan el sueño MOR. Los desórdenes del sueño en los animales domésticos son poco frecuentes. En el perro se puede observar narcolepsia, enfermedad caracterizada por una excesiva somnolencia durante todo el día y ataques súbitos de sueño MOR. La presencia de alimentos dispara con frecuencia los ataques de narcolepsia en animales que la sufren. El ganado vacuno es la especie doméstica que mejor tolera la privación de sueño, sobre todo el sueño MOR.
9 Vigilia La respuesta de los animales a estímulos biológicamente significativos incluye varias etapas (figura 3): 1. Atención o alarma 2. Orientación 3. Acercamiento o retirada 4. Habituación A continuación se explican brevemente: Atención y orientación: Determinan una activación del EEG que varía cuando se alternan estimulación y cese de estimulación repentinos. El animal pasa de una actitud pasiva a estar alerta, orienta su atención al foco que le resulta interesante y se acerca al mismo. En la etapa de habituación, el aprendizaje por experiencia previa, prepara al cerebro del animal para diferenciar aquellos estímulos que no determinan consecuencias para el mismo, por lo cual su presencia resulta neutra. Así por ejemplo, un sonido que es escuchado por primera vez por el animal, activa la formación reticular y la corteza auditiva. Cuando este sonido se produce nuevamente, sin que tenga consecuencias, aunque las ondas sonoras sigan llegando al oído y alcancen la corteza auditiva, las neuronas de la formación reticular dejan de activarse. Este fenómeno será registrado en el EEG con la ausencia de un registro típico de alerta (BVAR).
10 Figura 3. Esta figura muestra las diferentes etapas por las que puede transitar el estado de vigilia después de un estímulo adecuado que interrumpa el estado de sueño. Bases neurofisiológicas de la vigilia Como ya se dijo, existen datos que permiten afirmar que el sistema noradrenérgico está activamente involucrado en el mantenimiento de la vigilia. Algunas evidencias son: - Algunas neuronas del locus coeruleus se activan durante la vigilia y se inactivan durante el sueño. - Fármacos simpaticomiméticos (anfetaminas, efedrina) aumentan la vigilia (aminas despertadoras). - Fármacos que disminuyen la síntesis de noradrenalina reducen la vigilia y a altas dosis pueden causar daño. El SARA es el encargado de determinar de un modo generalizado los niveles de excitabilidad de las neuronas de la corteza, ganglios basales y otras estructuras importantes del prosencéfalo. Este sistema responde de igual forma a cualquier estímulo sensorial (piel, ojos oídos, etc.) despertando la corteza y activando estructuras como el hipotálamo y la hipófisis que generan respuestas endocrinas. Durante el sueño todo el conjunto del SARA se halla en un estado durmiente o de débil actividad. Si se produce algún estímulo doloroso, visual, auditivo o cinestésico, entre otros, y que sea suficiente para interrumpir el sueño, se
11 desencadena la reacción de despertamiento, propia de la activación del SARA. Señales procedentes de los ganglios basales y de la corteza sensorial y motora, también pueden activar al SARA. Referencias Barret KE, Barman SM, Boitano S, Brooks HL. Ganong Fisiología Médica. 23ª ed. México: McGraw-Hill; 2010. García A, Castejón F, de la Cruz LF, González J, Murillo MD. Fisiología Veterinaria. Madrid, España: McGraw-Hill; 1995. Klein BG. Fisiología Veterinaria de Cunningham. 5ª ed. Madrid, España: Elsevier Saunders; 2014. Medellín, mayo de 2015.