Artículo redactado por Jesús Mesian y Ammu
¡Hola ammucuriosos! Aquí estamos Jesús y Ana María, pasando una tarde de este mes de septiembre, donde volvemos a la rutina, y se nos ha ocurrido hablaros de las rutinas internas de nuestro cuerpo. Es decir, de los ciclos circadianos.
Hoy nos adentramos en los controles del encéfalo y de nuestro cuerpo. No penséis en alegría, tristeza, ira, asco, miedo, ansiedad, ennui, envidia, nostalgia o vergüenza. Aunque, hacen sus cosas en el panel del control de nuestra mente, lo cierto es que hay otros pequeños mandos en el encéfalo que se coordinan con el resto del cuerpo, para activar el susodicho botón de la pubertad, y otros muchos procesos en nuestro cuerpo. (AUNQUE PODÉIS LEER SOBRE EMOCIONES EN ESTE OTRO BLOG).
De los que hablamos hoy, son los que se producen con un periodo de 24 horas, normalmente. Todo ello, está controlado por un reloj como el que tenéis en vuestra habitación muy concienzudo que se regula con muchas cosas. ¿Quieres conocer este reloj?
¡Pues venga!, que se hace tarde, y Alicia en el país del ciclo circadiano ¡nos espera!
¿Qué es un ciclo circadiano?
La primera parada en la ruta es explicar, qué es un ciclo circadiano. Este concepto del ciclo circadiano se refiere a las oscilaciones de las variantes biológicas de nuestro cuerpo (que son muchas), y que se regulan a intervalos regulares de aproximadamente 24 horas.
Quizás, el ejemplo más claro de por qué es tan importante mantener estos ciclos sea el ejemplo de cuando viajamos a otro continente con diferencia horaria. Esa alteración en la secuencia u orden de los ritmos circadianos tiene un efecto negativo a corto plazo como el famoso jetlag. Otro ejemplo, sería a mediano plazo cuando se desencadenan desórdenes neurológicos como los trastornos del sueño (entre ellos el sonambulismo, que podéis leer aquí) y otros psiquiátricos como el trastorno afectivo estacional o el trastorno bipolar.
Imagen 1. Representado el ciclo circadiano en el cortisol. Imagen extraída de: https://suitdelux.es/images/blog/opinion/ritmos-circadianos-calidad-descanso.jpg
¿Sabías que son los ritmos biológicos más estudiados?
Los ciclos circadianos han sido los más estudiados dentro de los ritmos biológicos, ya que sus efectos visibles nos han demostrado la importancia que tienen para todos los seres vivos.
Todos los seres vivos muestran algún tipo de variación rítmica fisiológica (tasa metabólica, producción de calor, floración, etcétera) que suele estar asociada con un cambio ambiental rítmico. Por ejemplo, la floración se asocia con época de lluvias y buen tiempo, es decir, primavera y verano, principalmente.
En todos los organismos eucariotas, así como muchos procariotas se han documentado a lo largo de todos estos estudios, los diferentes ritmos con períodos que van desde fracciones de segundo hasta años. Si bien son modulados o modificables por señales externas, estos ritmos persisten en condiciones de laboratorio, aun sin estímulos externos. Por tanto, son esenciales a nivel interno, para el correcto funcionamiento de las funciones vitales.
¿Cuánto duran?
Aunque hemos dicho que eran 24 horas, aproximadamente en la mayoría, hay modificaciones como hemos mencionado también por el medio ambiente.
Debido a esa modulación externa, y dado que hemos evolucionado en este mundo con sus propios ciclos de 24 horas en un día, 28 días del ciclo lunar (leer artículo de la Luna), etc. En efecto, el valor de periodo de los ritmos circadianos puede variar, para permitirles sincronizar a los ritmos ambientales como son los ciclos de luz y de temperatura.
Los ritmos circadianos son endógenos, es decir, que se producen de modo interno, es un reloj interno. Este reloj establece una relación de fase estable con estos ciclos externos alargando o acortando su valor de periodo e igualándolo al del ciclo ambiental. Básicamente, este reloj se sincroniza como tú lo haces con el reloj de tu ciudad que marca la hora exacta. Ej: en España el reloj de la Puerta del Sol en Madrid.
Imagen 2. Representado en un reloj real la periodicidad de los relojes circadianos. Imagen extraída de: https://encrypted-tbn0.gstatic.com/images?q=tbn:ANd9GcQy7Yv55EWF4jKVgat5-jbeCMw9wVGi1872uQ&s
¿Qué características debe tener un reloj para ser el reloj circadiano?
Un ciclo circadiano posee las siguientes características:
- Son endógenos, es decir, internos y persisten sin la presencia de claves temporales o factores externos (aunque estos los ayuden a controlarse o puedan modificarlos).
- En condiciones constantes se presenta una oscilación espontánea con un periodo cercano a las 24 horas (de ahí el nombre circadiano).
- La duración del periodo es una oscilación espontánea que se modifica ligera o prácticamente nada al variar la temperatura, es decir, poseen mecanismos de compensación de temperatura.
- Son susceptibles de sincronizar a los ritmos ambientales que posean un valor de periodo aproximado de 24 horas, como los ciclos de luz -oscuridad y de temperatura.
- El ritmo se desorganiza bajo ciertas condiciones ambientales como con luz brillante y prolongada o con el jetlag u otros trastornos.
- En oscilación libre o espontánea, generalmente el período para especies diurnas es mayor de 24 horas y para especies nocturnas el período es menor a las 24 horas (ley de Aschoff), aunque tiene más excepciones que ejemplos que cumplan la regla.
- La complejidad de los ciclos depende de cada especie.
Historia de los ciclos circadianos
¡Jesús! Vamos a tomar la máquina del tiempo, ¡hay que viajar al pasado!
El conocimiento de la periodicidad de los fenómenos naturales y ambientales de los ritmos circadianos data de épocas muy primitivas de la historia de la humanidad, y el tiempo y la variación periódica de los fenómenos biológicos en la salud y en la enfermedad, fruto de la observación, ocupaban un lugar muy importante en las doctrinas de los médicos de la antigüedad.
Estos conceptos fueron recogidos y ampliados con observaciones propias de los naturalistas griegos, como Aristóteles y Galeno, que escriben sobre la periodicidad del sueño, centrándola en el corazón el primero y en el cerebro el segundo.
Pero no solo esto, sino que, hechos como la floración de las plantas, la reproducción estacional de los animales, la migración de las aves (que podéis leer aquí), la hibernación de algunos mamíferos y reptiles, etc. Todos ellos, fueron inicialmente considerados como simples consecuencias de la acción de factores externos y astronómicos. De acuerdo con esta opinión, que permaneció durante siglos, el medio ambiente imponía su rutina a los seres vivos.
Jean de Mairan (s. XVIII), usando una planta heliotrópica (plantas como los girasoles que se mueven hacía la luz solar), realizó el primer experimento que cambiaría las teorías que afirmaban que los ritmos circadianos eran meras respuestas pasivas al ambiente y sugiriendo su localización endógena o interna.
Imagen 3. Jean de Marian. Imagen extraída de: https://www.academie-francaise.fr/sites/academie-francaise.fr/files/styles/academie_immortal/public/mairan.jpg?itok=zHlf7oqM
Agustín de Candolle (s. XIX) añade una segunda evidencia de la naturaleza endógena de los ritmos biológicos, cuando demuestra que bajo condiciones constantes el período de los ciclos de los movimientos de las plantas duraba unas 24 horas.
Imagen 4. Agustin de Candolle. Imagen extraída de: https://www.ecured.cu/images/b/b6/AugustinPyramus.jpg
Aschoff, Wever y Siffre (s. XX) desarrollaron las primeras investigaciones en sujetos humanos y aparecieron las primeras descripciones sobre los ritmos diarios de temperatura en trabajadores a turnos o en soldados durante las guardias nocturnas.
Como dato curioso de la Ley de Aschoff, mencionada anteriormente, os contamos que Jürgen Walther Ludwig Aschoff (1913 – 1998) fue un médico y biólogo alemán especializado en la fisiología del comportamiento. Es considerado, junto con Erwin Bünning y Colin Pittendrigh, uno de los fundadores del campo de la cronobiología (la ciencia que estudia los ciclos circadianos y los cambios de adolescente a adulto). Su trabajo en esta disciplina de la biología le llevó a plantear la idea de que alteraciones del ciclo luz-oscuridad.
Imagen 5. Jürgen Walther Ludwig Aschoff. Imagen extraída de: https://es.wikipedia.org/wiki/J%C3%BCrgen_Aschoff#/media/Archivo:J%C3%BCrgen_Aschoff.gif
Sin embargo, si bien desde hace más de dos siglos se conocen los ritmos circadianos, hasta la década de 1960 no se acuña el término circadiano, por Franz Halberg, siendo el principal impulsor de la cronobiología o estudio formal de los ritmos biológicos temporales tanto diurnos y semanales como anuales.
Finalmente, hasta el año 2016 no se descubrieron todos los mecanismos moleculares que regulaban el ritmo circadiano. Por tanto, en 2017, Jeffrey C. Hall, Michael Rosbash y Michael W. Young fueron los ganadores del Premio Nobel de Medicina tras descubrir los mecanismos moleculares que regulan el ritmo circadiano.
¿Y para qué querrá el cuerpo un reloj interno?
Se cree que los relojes circadianos evolucionaron como una adaptación para anticipar los cambios diarios en los factores ambientales cíclicos externos y para alinear la fase de ritmicidad conductual, fisiológica y metabólica de un organismo con el momento más adecuado del día. Básicamente, una adaptación para mejorar y optimizar los procesos de la vida, regulados con el exterior que tanto nos influye: sequías, lluvias, calor, frío, escasez de alimento, etc.
Imagen 6. Ilustración de los 3 padres de la evolución que cambiaron poco a poco nuestra mente. Larmark, A.R. Wallace y C. Darwin. Imagen extraída de: https://portalacademico.cch.unam.mx/alumno/biologia2/unidad1/evolucion
Los ritmos circadianos se habrían originado en las células más primitivas con el propósito de proteger la replicación del ADN de la alta radiación ultravioleta durante el día. Como resultado de esto, la replicación de ADN se habría relegado al período nocturno. El hongo Neurospora mantiene este mecanismo circadiano de replicación de su material genético.
Imagen 7. Hongo Neurospora. Imagen extraída de: https://encrypted-tbn3.gstatic.com/images?q=tbn:ANd9GcTD_0XFuRXgVowpGiXTtsG9B9Vjt2yBW5pHjFR1uZQ7KZ6ZUIjo
El «reloj circadiano» más simple del que se tiene conocimiento es el de las cyanobacterias. En la especie Synechococcus elongatus, el ritmo circadiano puede ser reconstruido in vitro con el ensamblaje de solo tres proteínas. Funcionando con un ritmo de 22 horas durante varios días, sólo con la adición de ATP.
Imagen 8. Synechococcus elongatus. Imagen extraída de: https://en.wikipedia.org/wiki/Synechococcus_elongatus#/media/File:Synechococcus_elongatus_PCC_7942_electron_micrograph_showing_carboxysomes.jpeg
En los organismos eucariotas se necesita la retroalimentación de transcripción/traducción de ADN, siendo esto esencial para regular sus ritmos circadianos. De hecho, aunque los ciclos de eucariontes y procariontes comparten la arquitectura básica (señal de entrada/oscilador y de interno/señal de salida), no comparten ninguna otra similitud, por lo que se postulan diferentes orígenes para ambos.
Ejemplos de animales y humanos
Los ritmos circadianos son importantes no solo para determinar los patrones de sueño y alimentación de los animales, sino también para la actividad de todos los ejes hormonales, la regeneración celular y la actividad cerebral, entre otras funciones.
¡ALERTA! ¡ALERTA! ¡Ammu! Neurociencia y hormonas aproximándose, esto te lo dejo a ti.
Pues bien, el reloj circadiano en los mamíferos se localiza en el núcleo supraquiasmático (NSQ), un grupo de neuronas del hipotálamo. La destrucción de esta estructura lleva a la ausencia completa de ritmos circadianos, para que os hagáis una idea de que este centro de control controlaría a alegría, ansiedad, tristeza y demás.
Imagen 9. Esquema de cómo funciona el cerebro influyendo como regulador del ciclo circadiano, aunque parece que hay uno por órgano todos deben tener un organizador o coordinador. Imagen extraída de: https://www.pediatriaintegral.es/wp-content/uploads/2023/xxvii08/03/2023-n8-B3_CleofeFerrandez-Fig1.jpeg
Por otra parte, si las células del NSQ se cultivan in vitro, mantienen su propio ritmo en ausencia de señales externas. Demostrando el poder, de ser un reloj pequeño interno en nuestro encéfalo. De acuerdo con esto, se puede establecer que el NSQ conforma el “reloj interno” que regula los ritmos circadianos.
La actividad del NSQ es modulada por factores externos, cumpliendo las características que comentábamos, fundamentalmente la variación de luz. El NSQ recibe información sobre la luz externa a través de los ojos, que tienen la retina que no solo contiene fotorreceptores (receptores de la luz), la retina ayuda a distinguir las formas y los colores junto a estos.
Imagen 10. Reflejo de la regulación de la melatonina y el cortisol en equilibrio. Imagen extraída de: https://www.comunidadlift.com/wp-content/uploads/2022/04/Imagen_LoEsencial_01-scaled-1024×704.jpg
La retina se conecta con el nervio óptico, que es el principio de la ruta de la vista hacia el sistema nervioso, mediante las células ganglionares. Estas células ganglionares, además, poseen un pigmento llamado melanopsina que lleva la información como un mensaje de whatsapp al NSQ. El NSQ toma esta información sobre el ciclo luz/oscuridad externo, la interpreta, y la envía a la glándula pineal, que se encuentra justo debajo del hipotálamo. Esta última secreta la hormona melatonina en respuesta al estímulo proveniente del NSQ. La secreción de melatonina permite que nos entre sueño o no, por tanto, es baja durante el día y aumenta durante la noche.
Imagen11. Esquema de como afecta la luz al núcleo supraquiasmático. Imagen extraidade: https://imagenes.20minutos.es/files/image_640_auto/uploads/imagenes/2019/11/21/ritmos-circadianos-2.jpeg.
Imagen 12. Detalle de los puntos del hipotálamo, núcleo supraquiasmático y glándula pituitaria o hipófisis en el encéfalo. Imagen extraída de:
https://lamenteesmaravillosa.com/wp-content/uploads/2019/01/nucleo-supraquiasmatico.jpg
El ritmo está ligado al ciclo de luz-oscuridad, que afectan al ritmo de sueño-vigilia, que como vimos puede ser irregular en el sonambulismo. Las claves ambientales que reajustan los ritmos cada día son llamados «zeitgebers» (proveniente del alemán, «dadores de tiempo»). Los animales subterráneos totalmente ciegos, como la rata topo (Heterocephalus glaber) que es ciega, son capaces de mantener su reloj interno en la evidente ausencia de un estímulo externo. A pesar de la falta de estructura de ojos, sus fotorreceptores (los cuales detectan la luz) siguen funcionando y de la misma forma ellos salen periódicamente a la superficie.
Recientes estudios han influenciado el diseño de ambientes de las naves espaciales o en las cámaras con investigaciones en plantas, y en otros muchos organismos, donde hay sistemas de simulación del ciclo luz-oscuridad encontrándose grandes beneficios en todos los seres vivos y los astronautas.
Hormonas afectadas por el ciclo circadiano
Existe una serie de procesos biológicos que están subordinados al ciclo circadiano. Entre ellos están:
- ACTH: Hormona adenocorticotrópica, esencial para la regulación del agua en los riñones junto con la renina.
- Cortisol: Esencial para despertarse y mantenernos activos desactivando la melatonina. Además, de ayudarnos con las respuestas al estrés.
- TSH: Hormona estimulante de la tiroides, una importante reguladora del sistema inmunitario y regulatorio.
- FSH: También llamada hormona foliculo estimulante. Es producida por la glándula hipófisis que anatómicamente se sitúa debajo del cerebro. Desde esta glándula se libera al torrente sanguíneo y juega un papel fundamental a nivel ovárico. Su función es estimular el crecimiento y selección del folículo, participando también en el proceso de maduración del ovocito que posteriormente se liberará durante la ovulación.
- LH: Hormona luteinizante, esenciales para la maduración sexual de las células reproductoras y el ciclo menstrual. Asimismo, el estradiol, hormona femenina esencial en el ciclo menstrual.
Además, se considera que el ciclo circadiano cambia según estaciones (ritmos circanuales) y que las concentraciones de hormonas en sangre varían, según otros factores, como la edad o el estado de salud.
Conclusión
Los relojes internos son esenciales, para poder mantener las funciones vitales, siendo el mejor y óptimo en la naturaleza. La evolución se ha encargado de ir perfeccionando y ajustando el reloj, para prevenirnos y seguir evolucionando en un mundo en constante cambio.
Recientemente, se ha postulado que muchas células no nerviosas poseen también ritmos circadianos, y comparten con el NSQ la maquinaria molecular circadiana, los llamados genes reloj. Por ejemplo, las células hepáticas responden a los ciclos alimentarios más que a la luz. Este y otros tipos celulares que tienen sus propios ritmos se llaman osciladores periféricos (siempre subordinados al núcleo supraquiasmatico). Estos tejidos incluyen: el esófago, pulmones, hígado, bazo, timo, células sanguíneas,células dérmicas, glándula suprarrenal, etc. entre otras.
Los osciladores periféricos (relojes periféricos) son sincronizados principalmente por la luz (vía NSQ), pero la hora de alimentación o los glucocorticoides como el cortisol también son señales sincronizadoras menos potentes que la luz, pero igual de efectivas.
En definitiva, que queda muchísimo por investigar y saber de nuestro reloj interno y sus subrelojes u osciladores periféricos, pero Jesús y Ana María, ya tienen las neuronas cansadas y es momento de marcharnos, para dejaros con otros artículos (visitar la parte derecha del blog) y seguramente, volveremos a hablar de estos osciladores periféricos en este blog (quizás más pronto de lo que pensáis 😉).
¡Hasta la próxima!
Referencias
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Imagen destacada. Imagen extraída de: https://es.wikipedia.org/wiki/Ritmo_circadiano#/media/Archivo:Biological_clock_humanNycth%C3%A9m%C3%A9ralVersion_Espa%C3%B1ol.png
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Más sobre los autores:
Jesús Mesian es un aficionado y apasionado de la paleontología y los dinosaurios, en su canal de twitch (@lacocinadesanji) lee noticias de paleontología y a leído muchos de los libros de Francesc Gascó (@pakozoico o @dinozoic) para ayudar a divulgar sobre estos temas que tanto le gustan. Ha querido colaborar con el proyecto de Ammu Neuroscience en este artículo.Ammu Neuroscience and Biology es el nombre del proyecto de Ana María Morón Usero, bióloga, neurocientífica y divulgadora científica, que creo este proyecto de divulgación y gestiona las redes sociales (@ammuneuroscien @ammuneuro @ammuneuroscien2 @ammuneuroscienceandbiology), creación y redacción de todo el contenido de las mismas, así como el canal de youtube (@ammuneuroscienceandbiology) y twitch (@ammuneuroscien). Escribiendo en medios como Microbacterium o el COBCM además, de este blog propio.
Que la ciencia y la fuerza os acompañe.
Jesús y Ammu.
ammuneuroscienceandbiology.com 
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