Osciladores circadianos en el cerebro
La vida en este planeta está sometida a cambios dramáticos en las condiciones ambientales por la rotación de la tierra alrededor de su eje. Con la sucesión de día y noche, parámetros como iluminación, temperatura y humedad pueden ser alterados marcadamente. Para adaptarse a estas variaciones externas, los organismos han desarrollado sistemas internos  llamados relojes circadianos (del latín “circa diem” que significa aproximadamente un día) para medir el tiempo del día y coordinar temporalmente la fisiología y la conducta. Los relojes circadianos afectan un amplio espectro de funciones fisiológicas, desde el ritmo sueño-vigilia hasta la regulación del ciclo celular. La disrupción de los ritmos circadianos (por ejemplo, cambios horarios en la jornada de trabajo o durante el jet lag) puede tener consecuencias para la salud y el bienestar. Muchas enfermedades crónicas de la sociedad moderna como diabetes tipo 2 o desórdenes cardiovasculares son promovidos por la cronodisrupción,  es decir, la perturbación de la función del reloj interno o de la sincronización de este reloj con el tiempo externo.
   En los organismos multicelulares complejos como los mamíferos, los relojes moleculares se encuentran en la mayoría de, sino en todos, tejidos y células. Estos relojes están basados en un grupo de genes reloj, llamados Bmal1 (Brain and muscle aryl hydrocarbon receptor nuclear translocator-like protein 1), Clock (Circadian locomotor output cycles kaput), Cry1, Cry2 (Criptochrome 1 and 2),  Per1, Per2 y Per3 (Period 1,2,3) y sus productos (proteínas) que codifican el tiempo a través de asas de retroalimentación transcripción-traducción (TTFL). En el asa del reloj de mamíferos, el heterodímero CLOCK:BMAL1 se une a elementos aumentadores  (E-boxes) que regulan la transcripción de los genes Per, Cry y otros genes controlados por reloj (CCG). Los dímeros PER:CRY se acumulan en el núcleo durante el día para inhibir la actividad del heterodímero CLOCK:BMAL1 y, por tanto, regular su propia transcripción. La degradación de los dímeros PER:CRY durante la segunda mitad del día es controlada por las caseína quinasas CKIδ y CKIε y determina la duración del período del reloj circadiano. En una segunda TTFL, los receptores orfan relacionados con el ácido retinoico (Rorα-γ) y eritroblastoma reversa (Rev-erbα/β, Nr1d1/2) compiten por la unión a los elementos de respuesta del receptor orfan relacionado con el ácido retinoico (RORE) en la secuencia del promotor de Bmal1 y, por tanto, estabilizan la TTFL, pues ROR activa mientras REV-ERB inhibe la transcripción de genes mediada por RORE. Adicionalmente, otra asa de retroalimentación actúa a través de la destrucción de (D)-boxes, los cuales han sido descritos en la secuencia del promotor de varios genes reloj. El factor nuclear, interleuquina 3 regulado (NFIL3, E4BP4) es represor, mientras la proteína de unión al promotor de albumina sitio D (DBP) es activador de D-boxes. Entonces, la actividad diurna de los genes reloj así como también la de  CCG es controlada a través de la unión de diferentes proteínas reguladoras a E-boxes, D-boxes o RORE. Para adaptar estas oscilaciones moleculares al tiempo externo, la TTFL circadiana puede ser “reseteada” por la luz como estímulo principal, pero también por otros estímulos como ácidos grasos poliinsaturados (PUFA), monóxido de carbono (CO) y óxido nítrico (NO). La luz estimula la transcripción de genes Per en el núcleo supraquiasmático (NSQ) del hipotálamo resultando en entrenamiento del marcapaso circadiano del ciclo día-noche. La inducción de  Per es mediada por la interacción de la proteína de unión a los elementos de respuesta de cAMP (CREB) y la proteína quinasa activada por mitogenos (AMPK) con los elementos de respuesta de cAMP (CRE)  en la secuencia promotor de Per1 y Per2. Los PUFA activan receptores activados por proliferador de peroxisoma (PPAR), los cuales estimulan la transcripción de Bmal1. Adicionalmente, los PPAR tienen influencia sobre otros componentes reloj como PER2 y REV-ERBα. Las rutas de señalización CO y NO, permiten la producción de guanosina monofosfato cíclico (cGMP), el cual activa la proteína quinasa G para inducir cambios de fase.
   Los relojes celulares organizan funciones celulares a través de la regulación de  extensos programas transcripcionales  tejido-específicos; se estima que más de 40% de todos los genes que codifican  proteínas están sujetos a regulación circadiana al menos en un tejido del cuerpo. La cronodisrupción puede afectar al sistema reloj en diferentes niveles. Por ejemplo, la contaminación lumínica afecta relojes centrales en el cerebro, pero adicionalmente también puede afectar indirectamente relojes periféricos,  mientras la ingesta de alimentos es un sincronizador (o Zeitgeber) dominante para los relojes de tejidos periféricos.
   La red estructural del sistema circadiano de mamíferos está organizado de manera jerárquica. En la punta está el NSQ, una estructura bilateral de neuronas densamente agrupadas en la región ventromedial frontal del hipotálamo sobre el quiasma óptico. El NSQ recibe impulsos luminosos directamente de las células ganglionares de la retina intrínsecamente sensibles a la luz (ipRGC) que expresan el fotopigmento melanopsina (OPN4). Las ipRGC son más sensibles en el rango azul del espectro visible (ƛmax = 480 nm) y capaces de integrar información luminosa por largos períodos de tiempo. A través del tracto retino-hipotalámico, las ipRGC resetean relojes en el NSQ, entrenándolos directamente con el ciclo luz-oscuridad externo. La oscilación endógena de los relojes del NSQ determinan los ritmos conductuales y fisiológicos en el animal. Las lesiones quirúrgicas del NSQ resultan en aritmicidad circadiana conductual y molecular, aunque los ritmos de períodos cortos para algunos parámetros pueden ser preservados. A partir del NSQ, las conexiones neuronales y humorales alcanzan relojes celulares subordinados en el cerebro y la periferia, alineándose unos con otros y con el tiempo externo.
   Los estudios neuronales demuestran que el NSQ envía proyecciones predominantemente a otras regiones hipotalámicas, pero también alcanza otras regiones cerebrales como, por ejemplo, el núcleo paraventricular del tálamo (PVT) y la región periacueductal (PAG).  Las proyecciones del NSQ a la zona subparaventricular (sPVZ) están involucradas en la generación de ritmos reposo-actividad. Las proyecciones del NSQ al hipotálamo dorsomedial (HDM) y posteriormente al locus coeruleus (LC) conjuntamente con las proyecciones del NSQ al hipotálamo lateral regulan el alerta y por tanto la conducta sueño-vigilia. Las proyecciones directas del NSQ al núcleo preóptico ventrolateral (VLPO) son conocidas. Sin embargo, las proyecciones indirectas del NSQ a VLPO vía, por ejemplo, HDM y área preóptica medial aparentemente regulan el sueño. Adicionalmente, el NSQ envía proyecciones al núcleo preóptico medial (NPM) y al núcleo anteroventral paraventricular (AVPV). Más aún, el NSQ inerva al núcleo paraventricular (NPV) del hipotálamo y, por tanto, regula varios ejes hormonales así como también la liberación de melatonina, la cual a su vez regula al NSQ. Las señales aferentes del NSQ se originan en las ipRGC de la retina que contienen melanopsina, así como también estímulos metabólicos vía núcleo arqueado (ARC). Los mecanismos de comunicación con la red de relojes circadianos del cuerpo son pobremente entendidos. Los factores involucrados son la activación autonómica, la temperatura corporal, factores endocrinos como melatonina y glucocorticoides (GC), pero también funciones conductuales como el ciclo sueño-vigilia o el tiempo de ingesta de alimentos.
   Algunos Zeitgebers son capaces de afectar el sistema de relojes circadianos sin actuar a través del NSQ. Por ejemplo, el tiempo de ingesta de alimentos es un potente sincronizador de relojes circadianos de tejidos periféricos con poco efecto sobre el NSQ. En condiciones extremas, como alimentación restringida a la fase de reposo, esto puede provocar un desacoplamiento completo entre el reloj central y los relojes periféricos. Esta cronodisrupción interna puede ser una de las razones subyacentes de la alta prevalencia de desórdenes metabólicos en los trabajadores nocturnos. Por otra parte, trabajos recientes en roedores sugieren que la luz puede ajustar la transcripción de los genes reloj en tejidos periféricos de una manera independiente de la función del NSQ. Por otra parte, es bien conocido que el NSQ se comunica con otros osciladores circadianos en el sistema nervioso central (SNC) así como también con relojes periféricos. La señal de los osciladores extra-NSQ del SNC modulan funciones neuronales (como cognición, humor, etc.) pero también se comunican con osciladores de tejidos periféricos  a través de la  inducción de ritmos conductuales (por ejemplo, sueño, ingesta de alimentos, etc.) o ritmos neurohumorales (temperatura, melatonina, etc.). Los relojes de tejidos periféricos regulan funciones fisiológicas y ritmos (hormonas, metabolismo energético, inmunidad, etc.).
   Tradicionalmente, el rol principal en la coordinación de los relojes circadianos ha sido asignado al NSQ y su entrenamiento por la luz. Actualmente, con el desarrollo de herramientas experimentales para estudiar la función de relojes en tejidos específicos, está demostrado que los relojes tisulares continúan midiendo el tiempo aun cuando son removidos del cuerpo y la principal tarea del NSQ es la coordinación de los diferentes relojes de tejidos periféricos con el tiempo externo. Más aún, la ablación tejido-específica de la función reloj  ha sido usada para identificar roles fisiológicos para relojes tejido-específicos. Por ejemplo, la ablación de la función reloj en células hepáticas, impacta el manejo de la glucosa a través de la regulación de la expresión de transportador de glucosa en los hepatocitos. La pérdida de la función reloj en células β pancreáticas también impacta sobre el metabolismo de la glucosa inhibiendo la secreción de insulina y, por tanto, la disposición de glucosa postprandial. En el sistema inmune, los relojes específicos de tipo de célula han sido implicados en  migración celular y defensas inmunes. La mayoría de estos estudios se han ocupado de tejidos y células de la periferia, mientras los aspectos más visibles del reloj circadiano –del sueño al apetito y la regulación de la temperatura- son funciones del NSQ.
   La retina fue el primer tejido neuronal fuera del NSQ en el que se demostró un ritmo circadiano endógeno y autónomo de síntesis de melatonina in vitro. A partir de este hallazgo, se demostró que una variedad de regiones en el cerebro presentan oscilaciones. En ratones, de 27 regiones cerebrales estudiadas, 14 presentaron ritmicidad. Con excepción de unas pocas regiones cerebrales extra-NSQ, la ritmicidad se pierde después de la ablación quirúrgica o genética del NSQ.  Estos relojes fueron llamados osciladores secundarios. La única región, además del NSQ, que reúne todas las características de marcapaso circadiano es el bulbo olfatorio (BO). La investigación ha demostrado que la ritmicidad del BO es autónoma, entrenable y compensada por temperatura. Los ritmos de expresión de los genes reloj en el BO responden a la luz. Estos ritmos persisten en ratones con lesiones en el NSQ, pero la ritmicidad en la corteza piriforme es abolida por la bulbectomía. Por otra parte, la restricción de alimento induce ritmos en la corteza cerebral en ratones con lesiones en el NSQ. La actividad de la corteza cerebral muestra un patrón diurno en humanos y se especula que podría estar bajo control circadiano dependiente de GC. En la corteza prefrontal, el estrés induce la expresión de mARN de Per1 independiente de adrenalectomía en ratones. Las hormonas gonadales pueden jugar un rol en este contexto.
   El hipocampo, una estructura clave en la formación de la memoria, expresa rítmicamente todos los componentes reloj. Estos ritmos persisten en oscuridad constante y en cortes en cultivo por varios días. La melatonina puede resetear los relojes del hipocampo, pero la pinealectomía no afecta marcadamente  la ritmicidad de las proteínas reloj. La amígdala es otra estructura subcortical del sistema límbico que muestra ritmos de expresión de las proteínas reloj dependientes de un NSQ funcional. Los ritmos de los relojes de la amígdala son entrenados por los GC, pero la adrenalectomía elimina los ritmos exclusivamente en el núcleo central pero no en la amígdala basolateral. Más aún, los ritmos en la amígdala y en el núcleo del lecho de la estría terminal (BNST) desaparecen después de tiroidectomía y paratiroidectomía, pero no después de pinealectomía. La alimentación restringida por tiempo restaura los ritmos en la amígdala y el BNST de animales adrenalectomizados. Más aún, los relojes de ambos tejidos son sensibles a los esteroides sexuales.
   El núcleo acumbens (NAc) y el caudado putamen en el estriado, una región que coordinan múltiples funciones de cognición y motivación. Los patrones de  expresión de genes reloj en el NAc son alterados por una dieta rica en grasa/rica en azúcar en ratas. Adicionalmente, los cortes de putamen exhiben ritmicidad a pesar de carecer del impulso dopaminérgico, el cual ha sido señalado como el mayor regulador de este reloj cerebral. Por tanto, aun no se sabe exactamente como son entrenados los relojes del cerebro estriatal. Por otra parte, aún no está claro como la habénula lateral (LHb) del epitálamo guarda el tiempo. Los estudios iniciales demostraron un ritmo circadiano en las tasas de disparo en sincronía con el NSQ y respuesta fótica de la habénula de rata, mientras otros estudios no encontraron incremento en la expresión de cFOS por la luz en ratones. En este contexto, algunos investigadores sugieren una mayor influencia de señales intrínsecas en comparación con los neurotransmisores derivados del NSQ o de la información visual en la LHb. La LHb, entonces, parece ser un reloj cerebral bastante autónomo y auto-sostenido: las oscilaciones ex-vivo persisten  de manera independiente de potenciales de acción aun cuando son preparaciones obtenidas de animales con ablación del NSQ. Sin embargo, el impulso del NSQ es necesario para mantener en sincronía dos relojes distintos en la habénula. Las dietas obesogénicas provocan la abolición de la ritmicidad en la LHb indicando una sensibilidad a impulso derivado de nutrientes.
   En el hipotálamo, muchos osciladores circadianos extra-NSQ son particularmente sensibles al estado metabólico o al tiempo de alimentación. Los ritmos detectados en las regiones dorsomedial, lateral y ventromedial del hipotálamo son débiles en los animales bajo condiciones de alimentación restringida en el tiempo. El ARC  es una región crítica para el control de la homeostasis. A pesar de su robusta ritmicidad en vitro, el ARC pierde las oscilaciones de los genes reloj cuando se restringe el alimento durante el día en animales nocturnos. La disrupción genética del reloj del NSQ no elimina completamente la liberación rítmica de dopamina en el ARC indicando una maquinaria reloj semi-autónoma. No obstante, el corte de las conexiones entre el ARC y el NSQ resulta en desincronización del primero.  Las regiones hipotalámicas son importantes centros de control de muchas funciones fisiológicas rítmicas. Por tanto, no es sorprendente que la mayor parte de las áreas hipotalámicas presenten oscilaciones pronunciadas. Los osciladores del cerebro medio están menos caracterizados y la evidencia de ritmicidad es a menudo vaga. Por ejemplo, cortes de sustancia nigra son arítmicos en algunos estudios, y rítmicos en otros estudios aún en ratas con lesiones en el NSQ. La expresión de genes circadianos ha sido demostrada en regiones del cerebro anterior y el tálamo. En conjunto, está claro que los relojes circadianos están distribuidos a través del cerebro. La mayoría de estos osciladores dependen fuertemente del NSQ. Sin embargo, algunos de estos osciladores extra-NSQ muestran cierta autonomía y aparentemente son sensibles a Zeitgebers no fóticos. 
   En conclusión, el sistema reloj circadiano de mamíferos se basa en osciladores celulares que se encuentran en todos los tejidos del cuerpo y están organizados de una manera jerárquica. Un marcapaso master localizado en el NSQ sincroniza los relojes de tejidos periféricos y los osciladores extra-NSQ en el cerebro unos con otros y con el tiempo externo. Diferentes sincronizadores (o Zeitgebers) como la luz, la ingesta de alimentos, la actividad y las señales hormonales resetean el sistema reloj a través del NSQ  o por acción directa en el reloj del tejido. Varios osciladores extra-NSQ en el cerebro han sido caracterizados en términos de regulación de ritmos circadianos.  Algunos de ellos son inervados directamente por el NSQ, mientras otros reciben indirectamente impulsos del NSQ a través de otros circuitos neurales o estructuras extra-cerebrales. La función fisiológica específica de estos osciladores cerebrales extra-NSQ así como su rol en la regulación de la red de relojes circadianos no están muy claros.
Fuente: Begemann K et al (2020). Regulation and function of extra-SCN circadian oscillators in the brain. Acta Physiologica 229: 1-14.