Patrones del ritmo de actividad motora como expresión de la plasticidad del sistema circadiano

Abstract

Los ritmos circadianos en los mamíferos son encarrilados con el ambiente principalmente mediante el efecto de la luz sobre los núcleos supraquiasmáticos del hipotálamo (NSQ). La regulación de los ritmos involucra mecanismos específicos de control del período y la fase en la actividad de estas estructuras. Esta actividad viene determinada por la sincronización (acoplamiento) entre osciladores autónomos localizados en las neuronas individuales. En condiciones anómalas como en iluminación constante (LL) o en ciclos de luz-oscuridad (ciclos T) alejados de 24 h, el patrón de actividad motora (AM) presentará distintas organizaciones temporales, desde arritmicidad en LL en el ratón y la rata, o disociación en dos componentes de AM con períodos distintos en la rata bajo ciclos T de 22 h (T22). El OBJETIVO GENERAL de la tesis fue el estudio de patrones de AM en la rata y en el hámster, para demostrar que los NSQ pueden presentar respuestas funcionales más complejas que las de un sistema de sólo-fase. OBJETIVOS ESPECÍFICOS: 1- Estudiar los efectos del fotoperíodo en el patrón de AM de la rata en el límite inferior de encarrilamiento a ciclos T (T22 Y T23). La hipótesis central es que el fotoperíodo es capaz de modular el acoplamiento en los NSQ, y así el encarrilamiento del patrón de AM. 2- Estudiar el efecto de la actividad en la rueda (AR), y de la disminución gradual del período del ciclo T en el límite inferior de encarrilamiento del ritmo de actividad del hámster. La hipótesis central es que estos factores sólos o combinados pueden modular el encarrilamiento. 3- Estudiar el encarrilamiento del ritmo de AM del hámster en ciclos T22 de distinto contraste, para verificar las predicciones obtenidas mediante simulaciones con un modelo matemático del sistema circadiano. Estudiar la dependencia de la historia previa en el encarrilamiento. La hipótesis central es que el contraste lumínico y la historia previa pueden modular el encarrilamiento. 4- Comparar el patrón de arritmicidad en la rata, generado mediante LL con el obtenido en animales con lesiones de los NSQ, caracterizando la estructura de frecuencias y el grado de correlación de las series temporales. La hipótesis central es que la estructura temporal de la AM es distinta entre ambos grupos. 5- Desarrollar un método para obtener distintas variables comportamentales en estudios de largo término, a partir de la adquisición de datos de AM con alta resolución temporal y espacial mediante una plataforma provista de sensores de fuerza. CONCLUSIONES: 1- El fotoperíodo afecta la disociación de la AM de la rata, produciendo una transición gradual en la manifestación de ambos componentes. 1a- Existe un mayor grado de encarrilamiento al ciclo T con fotoperíodos largos, siendo mayor en T23. 1b- El período del componente en curso libre aumenta al aumentar el fotoperíodo, verificándose las reglas de Aschoff bajo ciclos T. 2- La AR, y la exposición prolongada a ciclos T, facilitan el encarrilamiento del ritmo de actividad del hámster en el límite inferior. 2a- La AR promueve el encarrilamiento principalmente en T22. 2b- La disminución gradual del período del ciclo T permite el encarrilamiento hasta T19. 3- El encarrilamiento del patrón de AM del hámster depende del contraste lumínico del ciclo T, y principalmente de la historia ambiental previa. 3a- El aumento de la iluminación en la escotofase promueve el encarrilamiento en T22. 3c- Modificaciones en el grado de acoplamiento en un modelo multioscilatorio, permiten predecir la transición entre cordinación relativa y encarrilamiento observada en el patrón de AM. 4- Los animales arrítmicos por LL presentan componentes ultradianos en su espectro de potencias, mientras que los lesionados no presentan componentes dominantes. 4a- El espectro de potencias y la autocorrelación obtenidos en la zona de alta frecuencia muestran que los animales en LL existe una mayor estructura temporal. 5- El método desarrollado permite una descripción más amplia de la AM en el largo término mediante distintas variables comportamentales, lo que sugiere su uso potencial para estudios cronobiológicos.

<i>. The temporal adaptation of organisms to their environment depends on the ability of the circadian pacemaker to adjust its phase and period, using daily environmental information provided primarily by the light-dark (LD) transitions. Photic information is processed by the pacemaker, which is located in the suprachiasmatic nucleus of the hypothalamus (SCN). The mamalian pacemaker appears to be more complex than one that invariably responds with the same PRC to environmental stimuli. Although single circadian oscillators are arranged in individual cellular clocks in the SCN, evidence such as splitting and arrhythmicity in prolonged constant light (LL), and forced dissociation in a 22 h T cycle, supports the hypothesis that the rodent SCN is a coupled multioscillatory system. Motor activity (MA) patterns of rodents were studied to characterize plasticity and complex organization of circadian system. 1- The effects of photoperiod on rat MA at the lower limit of entrainment were studied. Results suggests that manifestation of forced dissociation in MA components is a gradual phenomena. Entrainment to T cycle was promoted, and the period of free-running component was lengthened with long photoperiods. 2- The effects on the entrainment of the activity pattern during successive light-dark cycles of step-wise decreasing periods, as well as wheel running activity, were investigated. Providing hamsters continuous access to a running wheel established entrainment to T=22 h. Results suggests that changes in pacemaker response were facilitated by step-wise changes of T spaced very far apart, thus allowing time for adaptation. 3- The history-dependent changes on entrainment of the MA rhythm in the hamster were studied. Also, the protocol included T22 cycles with varying lighting contrasts, to test computational model predictions of experimental outcomes. Results suggests that the circadian system responds to environmental stimuli depending on its previous history. Moreover, computer simulations let us predict entrainment under T22 cycles, and indicate that most of the patterns observed in the animals can be explained by different degrees of coupling among oscillators. 4 - The temporal structure of rat MA pattern was compared between LL-induced versus SCN lesion-induced arrhythmicity. Arrhythmicity induced by LL has a temporal structure, both at the ultradian and high frequency ranges, suggesting that the interactions among the oscillatory elements can be modulated by light, effecting an ultradian pattern. Also, such ultradian pattern could be more than a simple apparent stochastic arrhythmicity, involving possible underlying time-invariant regulatory mechanisms. 5- A method to obtain behavioral variables in long-term records by means of a force-plate actometer, was developed. Several behavioral variables were obtained, suggesting its potential use principally in chronobiological studies.</i>