Filogenia del sueño (entrevista a Patrick McNamara)

El sueño es esencial para la supervivencia. Sin él, moriríamos a las pocas semanas, antes incluso que privados de alimento. Siendo así, su estudio desde una perspectiva evolucionista se hace imprescindible para entender qué es y para qué sirve.

Por lo que se sabe, hace aproximadamente 500 millones de años que surgió el denominado sueño no-REM. En él las neuronas del cerebro o ganglio nervioso principal parecen disparar al unísono y con una cadencia sosegada, y el cuerpo detiene su febril actividad de vigilia. Algunos invertebrados (como la mosca de la fruta o la abeja) exhiben períodos de quiescencia característicos que se parecen al sueño.

Pero el sueño como alternancia de fases no-REM y REM es patrimonio exclusivo de los animales de sangre caliente. Reptiles y anfibios duermen, pero no tienen sueño REM.

Este tipo de sueño se descubrió a mediados del pasado siglo. Durante el mismo la actividad neuronal es similar a la del cerebro despierto, pero el cuerpo está paralizado de cuello para abajo, gracias a la acción inhibidora de una población neuronal del tronco del encéfalo, que impide toda comunicación descendente. Los movimientos de los ojos, al igual que los de los músculos faciales, no se ven afectados, porque los nervios que llegan hasta ellos no pasan por el tronco cerebral. De ahí que se haya denominado a este estado sueño REM (por rapid eyes movements: movimientos oculares rápidos). El durmiente no mueve su cuerpo, pero su frenética actividad cerebral viene acompañada de igualmente frenéticos movimientos en sus ojos.

Durante el sueño REM se sueña con mucha mayor frecuencia que en el sueño no-REM. Las imágenes oníricas que suscitaron interpretaciones míticas, freudianas incluidas, se producen mientras el órgano de la vista se mueve desesperadamente en su búsqueda, acaso creadas por el mismo.

Por lo que se refiere a la filogenia del REM, no hay una relación entre cerebros más grandes y más sueño REM. El ser humano tiene mucho más sueño REM que el delfín mular y bastante menos que el ornitorrinco.

Patrick McNamara, de la Universidad de Boston, es uno de los principales estudiosos de la evolución del sueño. Ya tuvimos entre nosotros a su colega y colaborador Robert A. Barton, y hoy tenemos el privilegio de contar también con su presencia.

El Doctor McNamara nos ha respondido unas preguntas, cuyo correcto inglés revisó J.M.Guardia. Marzo tradujo sus palabras al castellano.

En inglés:

1. Two related questions: What is sleep? Why do we sleep?

There are many definitions of sleep out there. Probably the least controversial definition is that it is a behavioral state characterized by quiescence that is quickly reversible back to the waking state. Most animals must remain in that quiescent state for a certain amount of time and if they do not sleep for the full amount of time they need the proportional amount of missed sleep must be made up by sleeping for a longer period of time or sleeping more intensely during the next sleep bout. Nobody knows why we sleep but again there are many theories. In complex animals there are at least two major sleep states, REM and NREM, and each of these has a function or perhaps more than one function. Among the many functions ascribed to each sleep state REM appears to facilitate emotional memory processing while NREM appears to facilitate immune system maintenance.

2. Which species sleep? What are the differences and similarities between our sleep and that of other species?

Most but perhaps not all animals exhibit some form of sleep. Even insects sleep--they exhibit a period of quiescence and the phenomenon of rebound or sleeping more intensely after sleep deprivation. It is controversial but there may be some fish that do not sleep and there is one mammalian species that may not sleep: some juvenile cetaceans appear to swim continously and never become quiescent. Of course no-one has observed these animals throughout their entire life cycle so they may sleep when they become adults-we simply do not know. Only about 35-40 species of birds have been studied with respect to sleep so we do not know if migratory birds sleep 'on the wing'. Birds and some sea mammals exhibit unihemispheric sleep--that is one hemisphere of the brain sleeps at a time so that they can continue flying or swimming.

3. What has been the evolution of sleep? How could such a sensorial deprivation evolve?

Our form of sleep evolved from ancestral brain states first produced in various reptilian lineages. REM or the active form of sleep with high brain activation levels and NREM with its slow synchronized brain waves are first really identifiable in the monotremes and the marsupials. There was a huge amount of REM in the marsupial lineages that was gradually 'tamed' or brought under regulatory controls in various mammalian lineages.

In many animals that sleep incoming sensory information is partially blocked during the sleep state and that is a great puzzle to evolutionary scientists as the lack of sensory information makes the animal vulnerable to predation. The standard view is that sensory information is blocked in order to allow the animal to continue to sleep. Not all sensory information is blocked so a mother can hear the cries of her infant during sleep and so forth. The phenomenon of sensory inhibition during sleep tells us how important sleep must be to the organism. Sleep makes an animal extremely vulnerable to predation but animals do it anyway... it must therefore be considered an absolutely essential physiologic process.

4. What are dreams? Do they have any meaning?

Dreams are forms of mentation that occur during the 2 major sleep states--they are mental simulations of day to day situations. But they are selective simulations. We do not just dream about anything. Animals dream about behaviorally significant threats and prey. We know this from observations of cat behavior after lesioning their brains in such a way as to allow them to act during REM sleep. When you code thousands of dreams from all kinds of different people from all kinds of culture certain themes consistently emerge. We tend to simulate social interactions with REM specializing in simulating aggresive social interactions and Stage II NREM friendly social interactions. Threats are also favorite forms of simulation--as if we are practicing to meet a threat etc.

5. What’s the relation there is between sleep and memory, between sleep and immunity system?

Both REM and NREM appear to participate in memory processing with REM specializing in emotional and procedural memories and NREM in various forms of episodic memories. To effectively store a memory you need at least some amount of both forms of sleep. You need a certain amount of both forms of sleep to have an optimally functioning immune system. In one of our studies that looked at immune system parameters across a fairly large array of species we found that the longer an animal slept the greater the number and variety of immune system cells that were produced.

6. What changes in our brain and in our body while we are sleeping?

In slow wave sleep in NREM our brain produces synchronized wave forms across the cerebral cortex and a very deep sleep. In REM sleep various portions of the brain are activated (like the amygdala and the orbitofrontal cortex) --sometimes more highly activated than they are during daytime. During REM our bodies are paralyzed but the sexual system is activated. Men get erections and the clitoris gets engorged in women. Thus in REM we have a very highly activated brain in a paralyzed body but with sexual activation. Finally we are forced to watch these things we call dreams... nobody knows why Mother Nature would create a behavioral system like this.

7. What are the basic causes of sleeping problems?

There are many theories as to the causes of sleep disorders but one final common pathway for most sleep disorders is that you get too much or too litle of REM or NREM sleep. In insomnia of course you get too little in narcolepsy you get too much REM and so forth. Thus the regulatory controls over sleep durations are altered in sleep disorders.

8. What does sleep tell us about the fascinating mystery of consciousness?

During REM sleep you get an entirely different form of consciousness than the waking state. Thus we immediately know that there are forms of consciousness not just one form of conciousness. This REM-related form of conciousness appears to be vitally important for the organism as it is involuntary-we all dream whether we like it or not. We have to get rid of this old idea that dreams are mere epiphenomen of the REM brain state like so much foam creating over the waves of brain activation patterns etc. No dreams are highly complex cognitive products of a very specific computational brain state... just as your liver produces bile so the REM state produces cognitive products called dreams... these products are narratives. the narrative form does not appear to be imposed upon the dreams from the waking state it is there as a product of REM. We know this because imposition from the waking state would produce all kinds of different narrative forms but dreams consistently reflect a single narrative form-albeit in a phantasmagoric variety of images. Dreams reflect an enormous creativity precisely because they are constrained by this consistent narrative form. Thus conciousness itself must involve this story like structure... there is always a personal element--an agent who is undergoing a passion or who is doing something to some other agent...

9. What are you now working on?

I am looking into the genetics of REM and NREM sleep and am working on the idea that they 2 major sleep states are constructed by 2 different genomes that are in conflict with one another.

En castellano:

1. Dos preguntas relacionadas: ¿qué es el sueño? ¿Por qué dormimos?

Hay muchas definiciones del sueño. Probablemente la definición menos controvertida sea que es un estado conductual caracterizado por quiescencia que es rápidamente reversible al estado de vigilia. La mayoría de los animales deben permanecer en ese estado quiescente durante un cierto tiempo y, si no duermen el período completo, debe recuperarse la parte proporcional de sueño perdido durmiendo más tiempo o más intensamente en el siguiente período de sueño. Nadie sabe por qué dormimos pero también hay muchas teorías. En los animales complejos hay al menos dos estados de sueño principales, REM y no REM, y cada uno tiene una función o tal vez más de una. Entre las muchas funciones que se han asignado a cada estado el sueño REM parece facilitar el procesamiento de la memoria emocional, mientas que el no-REM parece facilitar el mantenimiento del sistema inmunitario.

2. ¿Qué especies duermen? ¿Qué diferencias y parecidos hay entre nuestro sueño y el de otras especies?

Casi todos los animales, pero quizá no todos, exhiben alguna forma de sueño. Aun los insectos duermen; exhiben un período de quiescencia y el fenómeno del rebote, o dormir más intensamente tras la privación de sueño. Es controvertido pero puede haber algunos peces que no duerman y hay una especie de mamíferos que puede que no duerma: algunos cetáceos juveniles parecen nadar continuamente sin quedar nunca quiescentes. Por supuesto nadie ha observado a estos animales a lo largo de todo su ciclo vital, así que puede que duerman al hacerse adultos; simplemente no lo sabemos. Sólo se ha estudiado el sueño en 35 o 40 especies de aves, así que no sabemos si las aves migratorias duermen en vuelo. Aves y algunos mamíferos marinos exhiben sueño monohemisférico; esto es, los hemisferios del cerebro duermen por turnos de modo que puedan seguir nadando o volando.

3. ¿Cuál ha sido la evolución del sueño? ¿Cómo pudo evolucionar semejante privación sensorial?

Nuestra forma de sueño evolucionó desde estados cerebrales ancestrales que surgieron en diversos linajes reptilianos. El sueño REM, la forma activa con altos niveles de activación cerebral, y el sueño no REM con sus ondas cerebrales lentas sincronizadas son realmente identificables por primera vez en los monotremas y los marsupiales. Había una enorme cantidad de sueño REM en los linajes marsupiales que fue gradualmente "domada" o sometida a controles reguladores en diversos linajes de mamíferos.

En muchos animales que duermen la información sensorial entrante es parcialmente bloqueada durante el estado de sueño, lo que es un gran enigma para los estudiosos de la evolución pues la falta de información sensorial hace al animal vulnerable a la predación. La opinión corriente es que se bloquea la información sensorial para que el animal pueda seguir durmiendo. No se bloquea toda la información sensorial, de modo que una madre puede oír el llanto de su hijo durante el sueño, etcétera. El fenómeno de la inhibición sensorial durante el sueño nos dice cuán importante debe de ser el sueño para el organismo. El sueño hace al animal extremadamente vulnerable a la predación, pero aun así los animales duermen... Por tanto debemos considerarlo un proceso fisiológico absolutamente esencial.

4. ¿Qué son los sueños? ¿Tienen algún significado?

Los ensueños son formas de actividad mental que ocurre durante los dos estados principales del sueño; son simulaciones mentales de situaciones cotidianas. Pero son simulaciones selectivas. No soñamos simplemente en cualquier cosa. Los animales sueñan en cosas conductualmente significativas: amenazas y presas. Lo sabemos por observaciones de la conducta de gatos tras lesionar sus cerebros de manera que les permita actuar durante el sueño REM. Cunado se registran miles de sueños de toda clase de diferentes personas de toda clase de culturas emergen consistentemente ciertos patrones. Tendemos a simular interacciones sociales, con el sueño REM especializado en simular interacciones sociales agresivas y el sueño no REM de fase II interacciones sociales amistosas. Las amenazas son también formas de simulación frecuentes; como si practicáramos para enfrentarnos a amenazas etc.

5. ¿Cuál es la relación que hay entre el sueño y la memoria, entre el sueño y el sistema de inmunidad?

Tanto el sueño REM como el no REM parecen participar en el procesamiento de los recuerdos, con el REM especializado en la memoria emocional y procedimental y el no REM en diversas formas de memoria episódica. Para almacenar un recuerdo con efectividad hace falta al menos alguna cantidad de ambas formas de sueño. Hace falta al menos alguna cantidad de ambas formas de sueño para tener un sistema inmune en óptimo funcionamiento. En uno de nuestros estudios que revisó parámetros del sistema inmune en un abanico de especies bastante amplio hallamos que cuanto más tiempo dormía un animal mayor era el número y variedad de células del sistema inmune que producía.

6. ¿Qué cambia en nuestro cerebro y en nuestro cuerpo mientras dormimos?

Durante el sueño no REM, de ondas lentas, nuestro cerebro produce formas de onda sincronizadas a la escala del córtex cerebral y un sueño muy profundo. En el sueño REM se activan diversas partes del cerebro (como la amígdala y el córtex orbitofrontal), a veces más intensamente que durante el día. Durante el sueño REM nuestros cuerpos están paralizados pero el sistema sexual está activado. Los varones tienen erecciones y el clítoris se agranda en las mujeres. Así pues en el sueño REM tenemos un cerebro muy activado en un cuerpo paralizado pero con activación sexual. Y por último nos vemos obligados a ver esas cosas que llamamos sueños... Nadie sabe por qué habrá creado la Madre Naturaleza un sistema conductual semejante.

7. ¿Cuáles son las causas básicas de los problemas del sueño?

Hay muchas teorías sobre las causas de los trastornos del sueño, pero una vía final común para la mayoría de ellos es que se obtiene demasiado o demasiado poco sueño REM o no REM. En el insomnio, por supuesto, se obtiene demasiado poco, en la narcolepsia demasiado REM, etcétera. Así pues, los controles reguladores de las duraciones del sueño están alterados en los trastornos del sueño.

8. ¿Qué nos dice el sueño sobre el fascinante misterio de la consciencia?

Durante el sueño REM se alcanza una forma de consciencia completamente diferente del estado de vigilia. Así pues sabemos directamente que hay formas de consciencia, no sólo una forma de consciencia. Esta forma de consciencia relacionada con el sueño REM parece ser de vital importancia para el organismo, pues es involuntaria; todos soñamos nos guste o no. Debemos deshacernos de la vieja idea de que los sueños son meros epifenómenos del estado del cerebro en el sueño REM, como espuma que se formase sobre las olas de los patrones de activación cerebral, etc. No, los sueños son muy complejos productos cognitivos de un estado computacional cerebral muy específico; así como el hígado elabora bilis el estado REM elabora productos cognitivos llamados sueños; estos productos son relatos. No parece que la forma narrativa sea impuesta a los ensueños desde el estado de vigilia; está ahí como producto del sueño REM. Lo sabemos porque la imposición desde el estado de vigilia produciría toda clase de diferentes formas narrativas, pero los sueños reflejan consistentemente una sola forma narrativa; si bien en una fantasmagórica variedad de imágenes. Los sueños reflejan una enorme creatividad precisamente porque están constreñidos por esta forma narrativa consistente. Así pues la propia consciencia debe involucrar esta estructura de relato... Hay siempre un elemento personal: un agente que está sufriendo una pasión o haciendo algo a algún otro agente...

9. ¿En qué trabaja ahora?

Estoy indagando en la genética del sueño REM y no REM y trabajando en la idea de que estos, los dos principales estados del sueño, son construidos por dos distintos genomas que están en conflicto entre sí.