Descubren una señal cerebral que enlaza el pensamiento con el metabolismo

Para regular el comportamiento adaptativo, el cerebro se basa en un flujo continuo de procesos cognitivos y relacionados con la memoria que requieren un suministro constante de energía. Con un peso de aproximadamente 1200 gramos en mujeres y 1300 en hombres, el cerebro consume un promedio de aproximadamente 90 gramos o 340 kilocalorías de glucosa por día, lo que representa aproximadamente la mitad de las necesidades de glucosa del cuerpo. La estrecha integración de señales metabólicas y relacionadas con la cognición puede ayudar a adaptar el suministro de energía del cerebro a las necesidades energéticas, optimizando el comportamiento de búsqueda de alimentos y limitando el gasto de energía.

Hasta ahora se pensaba que la sincronización del suministro de glucosa con la actividad cerebral era una función de una estructura llamada hipotálamo, en la base del cerebro. Un nuevo estudio publicado en Nature y encabezado por David Tingley del Instituto de Neurociencia de Nueva York , proporciona evidencia en ratas en la región del cerebro llamada hipocampo, que típicamente está involucrada en la memoria y la navegación, en esta ecuación.

El hipotálamo en el cerebro ayuda a regular los niveles de glucosa en la sangre y en el líquido intersticial que rodea las células del cuerpo. Esta regulación hipotalámica (mediada por retroalimentación) se activa, por ejemplo, durante el estrés. Los investigadores revelaron evidencia en ratas de que otra estructura del cerebro, el hipocampo, también regula las concentraciones periféricas de glucosa. En el hipocampo, los patrones oscilantes, llamados ondas agudas (SPW-R), emergen en el potencial eléctrico colectivo a través de las membranas de las neuronas. Parecen indicar, a través de un sector llamado tabique lateral, al hipotálamo para producir caídas en la concentración de glucosa intersticial unos 10 minutos más tarde. Se desconoce el mecanismo de retroalimentación en este bucle de control (denominado flecha punteada). Dado que los SPW-R del hipocampo son un sello distintivo del reprocesamiento de experiencias pasadas, pueden controlar el suministro de energía del cerebro durante un modo similar al pensamiento.

Para explorar esta posibilidad, Tingley y sus colegas registraron patrones SPW-R. Hicieron esto mientras usaban un sensor insertado debajo de la piel de la espalda de los animales para medir continuamente los niveles de glucosa en el líquido intersticial que rodea las células allí.

Los SPW-R están compuestos por una onda aguda, que emana de neuronas en la región CA3 del hipocampo, lo que provoca una oscilación de red rápida pero localizada. Fundamentalmente, los SPW-R están asociados con ráfagas de activación neuronal y son un sello distintivo del procesamiento de experiencias cognitivas, específicamente relacionadas con la memoria.

Los autores demostraron que los SPW-R agrupados registrados en una parte del hipocampo llamada CA1 dorsal son seguidos unos 10 minutos más tarde por una caída marcada en las concentraciones de glucosa periférica. Aunque la tasa de SPW-R, que promedió casi 10 por minuto, varió significativamente durante un ciclo de 24 horas, los autores muestran que hubo una reducción en las concentraciones de glucosa de aproximadamente 0,33 miligramos por decilitro por SPW-R. Los SPW-R de gran amplitud pero de corta duración agrupados en el tiempo predijeron las disminuciones más pronunciadas de la glucosa.

Un descubrimiento valioso

Esta sorprendente observación sugiere un papel previamente desconocido de los SPW-R como una señal de reinicio de fase para regular los niveles de glucosa de un animal. Ciertos aspectos de esta función propuesta requieren cierta reflexión, incluido el momento de las respuestas de glucosa observadas. El retraso de aproximadamente 10 minutos entre los SPW-R y la caída de glucosa puede explicarse por factores como la velocidad lenta de difusión de la glucosa en el espacio intersticial y un retraso técnico inherente a la lectura de glucosa de un sensor implantado. Por lo tanto, el acoplamiento del hipocampo y los niveles de glucosa periférica por los SPW-R puede ser incluso más estrecho.

Otro aspecto a considerar es la dirección del cambio en los niveles de glucosa después de los SPW-R. Estos patrones oscilantes están asociados con una mayor actividad en el hipocampo, así como en varias partes de la corteza cerebral que reciben las salidas del hipocampo. Por lo tanto, dado este aumento en la activación y, por lo tanto, la demanda potencialmente aumentada de energía cerebral, uno podría esperar que la señal del hipocampo conduzca a un aumento en el suministro de glucosa, en lugar de a una disminución. En situaciones estresantes, el cerebro puede transmitir señales rápidamente, a través de neuronas del sistema nervioso simpático, al resto del cuerpo para aumentar las concentraciones de glucosa periférica. Sin embargo, durante los SPW-R, las regiones del cerebro que median la activación parecen estar desactivadas. ¿Podría ser entonces el caso de que las reducciones de glucosa después de los SPW-R simplemente reflejen el aumento del consumo cerebral y la atracción de la glucosa periférica hacia el cerebro durante los SPW-R?

Los experimentos de control inteligente realizados por Tingley y su equipo sugieren que este no es el caso. Descubrieron que la inhibición artificial del tabique lateral, una importante estación de retransmisión de la señal del hipocampo al hipotálamo, abolía el acoplamiento de los SPW-R con las fluctuaciones periféricas de la glucosa. Este hallazgo, y la observación de que las arrugas del hipocampo inducidas artificialmente también fueron seguidas por caídas de glucosa, confirman la idea de que una señal asociada específicamente con SPW-R, que se transmite a través del hipotálamo, causa una disminución en la disponibilidad de glucosa en la periferia del cerebro.

Estos resultados pueden proporcionar nuevas ideas sobre cómo la regulación del suministro de glucosa al cerebro se integra con la regulación del recambio de glucosa en todo el animal. Además, debido a que el enlace SPW-R-glucosa era el mismo cuando los animales estaban en ayunas que cuando se les permitía comer libremente, estos hallazgos arrojan nueva luz sobre la suposición de que los sistemas en el cerebro regulan los niveles de glucosa en sangre en condiciones normales y no solo a la luz del estrés y otros desafíos metabólicos.

“Los SPW-R no son simplemente compañeros de aumentos bruscos en la actividad de disparo neuronal: durante estos patrones, el hipocampo repite, de manera ordenada en el tiempo, experiencias previamente codificadas en la memoria -dice Tingley-. Los SPW-R no ocurren cuando una rata está explorando activamente un laberinto. En cambio, ocurren durante breves descansos entre períodos de locomoción, cuando la rata parece estar planeando adónde ir. También ocurren durante períodos de sueño lento (sueño caracterizado por vibraciones eléctricas de baja frecuencia) después de una conducta exploratoria, cuando se deben registrar recuerdos duraderos de la experiencia”. Durante la reproducción de SPW-R, los rastros de información preexistentes se pueden combinar para influir en las decisiones. Por lo tanto, continúa Tingley, “parece que los SPW-R son característicos de un modo fuera de línea en el que el hipocampo y las regiones cerebrales asociadas están involucradas en la actividad del pensamiento”.

En resumen, los intrigantes resultados obtenidos apuntan a la existencia de un bucle hipocampal hasta ahora desconocido que subyace al control de la regulación de la glucosa en sangre en áreas cerebrales. Los hallazgos de los autores no solo abren nuevas perspectivas para la investigación básica, sino que también impulsan a repensar varios fenómenos clínicos. Estos incluyen la aparición concomitante de deterioro cognitivo y, en particular, el deterioro del hipocampo con un control de glucosa alterado en la diabetes tipo 2; la asociación de las alteraciones del sueño de ondas lentas con la resistencia a la insulina; y la desregulación de la ingesta de alimentos en personas con lesiones del hipocampo y deterioro de la memoria asociado. “Es tentador -concluye Tingley- especular que la pérdida del control metabólico en estos trastornos podría tener una causa común en la expresión disfuncional del hipocampo”.

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