Un estudio revela datos inéditos sobre los ritmos circadianos

En organismos superiores, como los mamíferos, los ritmos biológicos o circadianos están generados por un reloj genético multicelular, situado en dos regiones del hipotálamo conectadas entre sí –denominadas núcleos supraquiasmáticos (NSQ)–, con unas 10.000 neuronas cada una. Para generar y regular los ritmos circadianos, nuestro reloj biológico se sirve del comportamiento celular “cooperativo” de las neuronas del NSQ. Estas neuronas generan oscilaciones auto- sostenidas y coherentes, e interactúan de forma acoplada –a través de un circuito genético– formando un ritmo único (ritmo circadiano), modulado muy eficientemente por el ciclo de alternancia luz–oscuridad de las 24 horas del día.

Hasta ahora, varios estudios habían demostrado que la arritmia estaba relacionada con la carencia de coordinación entre las expresiones periódicas de proteínas de las neuronas del NSQ: cuando un animal se vuelve arrítmico, estas están desincronizadas. También se sabía que la luz constante es una de las causas de la arritmia. Las neuronas sólo son capaces de generar oscilaciones auto-sostenidas y coherentes (ritmo biológico) si la iluminación es suficientemente baja. Pero cuando se incrementa la intensidad, el comportamiento coherente se pierde y el ritmo biológico se distorsiona: los animales se vuelven arrítmicos.

Los investigadores del estudio se plantearon la posibilidad de recuperar la ritmicidad de un animal en estas condiciones, mediante fluctuaciones en la intensidad de la luz, y decidieron utilizar técnicas de modelización matemática para simular las interacciones genéticas y celulares del sistema neuro-fisiológico que regula el reloj biológico. Este experimento in silico tiene un extraordinario interés porque ha permitido descubrir que las fluctuaciones en la intensidad de la luz ayudan a restablecer la ritmicidad y la coherencia de los ritmos circadianos, y no la distorsionan, como se podría pensar de forma intuitiva.

“Nuestros resultados muestran que el desorden producido por el ruido es, contrariamente a lo que se podría esperar, beneficioso a la hora de ayudar a que el animal mantenga un ritmo día-noche bien definido”, comenta uno de los autores del estudio, Jordi García-Ojalvo, del Departamento de Física e Ingeniería Nuclear de la UPC.

El líder del grupo The SiMBioSys, Javier Buceta, afirma: “Con esta investigación hemos explorado un fenómeno conocido en física denominado “resonancia de la coherencia”, que muestra que el ruido (entendido como fluctuaciones irregulares) puede ser una fuente de orden. En otras palabras, el azar no es una fuente que induce al desorden, todo el contrario; para algunos procesos biológicos, como el ritmo circadiano, puede ser beneficioso. La coherencia inducida por el ruido ya se ha demostrado en otros sistemas. Nuestro objetivo fue implementar esta coherencia en el control de los ritmos circadianos”.

En el trabajo los científicos también investigaron como la interacción entre las fluctuaciones de la luz y el acoplamiento intercelular afectaba la dinámica del ritmo colectivo. Los resultados de la investigación han contribuido a mejorar la comprensión del circuito genético de las aproximadamente 20.000 neuronas que controlan los ritmos circadianos, y profundizar sobre la influencia de la expresión periódica de las proteínas en el proceso de sincronización de este reloj multicelular.

“Gracias a esta simulación recreada por ordenador hemos descubierto que las fluctuaciones en la luz juegan un papel constructivo, sincronizando la comunicación vía el neurotransmisor entre neuronas. El estudio es un nuevo ejemplo de como la modelización es una herramienta muy útil para descubrir in silico nuevas fenomenologías en los procesos biológicos que posteriormente se pueden corroborar in vivo” -explica Javier Buceta.

Para avalar las hipótesis de este estudio in silico, actualmente sus autores están llevando a cabo ensayos in vivo con ratones, liderados por Antoni Díez-Noguera, actual decano de la Facultad de Farmacia de la Universitat de Barcelona, y líder del grupo de Cronobiología del Departamento de Fisiología de esta Facultad. Díez-Noguera trabaja desde hace más de 30 años en el estudio de la estructura y el funcionamiento del sistema circadiano de los roedores.

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Referencia bibliográfica:
Ekkehard Ullner, Javier Buceta, Antoni Díez-Noguera y Jordi García-Ojalvo. “Noise-Induced Coherence in Multicellular Circadian Clocks”. Biophysical Journal 96 (9): 3573-3581, 2009 (doi:10.1016/j.bpj.2009.02.031)