Mientras dormimos nuestros cuerpos se mueven «poco» pero nuestro cerebro funciona a toda máquina (tanto como cuando estamos despiertos). Las ondas de baja amplitud y alta frecuencia que caracterizan a nuestro neocortex cuando estamos despiertos, son reemplazadas por ondas de gran amplitud y baja frecuencia mientras dormimos (ondas que están caracterizadas por episodios de movimiento rápido de los ojos o REM).

¿Para qué usa el cerebro toda gran actividad durante el sueño? Sir Francis Crick, codescubridor de la estructura en doble hélice del DNA, fallecido en 2004, desarrolló en 1983 una teoría (ideas) sobre ¿por qué tenemos que dormir un tercio del tiempo de nuestras vidas? en su artículo «The function of dream sleep«, Francis Crick & Graeme Mitchison, Nature 304, 111-114 (1983), que parece que es una de las hipótesis más razonables en la actualidad (25 años más tarde).

Crick y Mitchinson sugieren que el sueño «profundo» (las fases REM, rapid-eye movement) tienen como función eliminar ciertos modos de interacción no deseados entre redes de neuronas en la corteza cerebral mediante un proceso de aprendizaje similar al usado en redes de neuronas artificiales. De esta forma proponen que el procesos subsconcientes se ven debilitados, en lugar de reforzados, como le gustaría a Freud y compañía, durante los sueños. Durante el sueño «recordamos» de toda la actividad diaria, analizamos y clasificamos dicha información y la almacenamos (o aprendemos) de forma selectiva. En redes de neuronas artificiales se utiliza una fase de aprendizaje utilizando la regla de Hebb para reflejar esta «fase de sueño». De esta manera el sueño ayuda a «recordar» lo vivido.

Esta teoría tiene la ventaja de que puede ser verificada con «experimentos» computacionales, usando redes de neuronas artificiales, mucho más fáciles que los experimentos con cerebros «de verdad», por ahora. El artículo de revisión «Why do we sleep?«, Sejnowski & Destexhe, Brain Research, vol. 886, pp. 208-223, 2000, presenta estas ideas en su versión más moderna y las contextualiza con otras ideas alternativas. El artículo de revisión «SLEEP, MEMORY, AND PLASTICITY«, Walker & Stickgold, Annual Review of Psychology, vol. 57, pp. 139-166, 2006, merece ser leído en relación con los procesos de memorización durante el sueño, la codificación de la memoria, la consolidación de la memoria, la plasticidad cerebral, y la re-consolidación de la memoria. Estos procesos conllevan ajustes biológicos que mejoran tanto la eficiencia como la utilidad de las memorias almacenadas en relación con las respuestas del organismo a entornos cambiantes.

¿A colación de qué viene todo esto? Acabo de leer un artículo muy interesante sobre simulaciones computacionales del cerebro que parece ratificar las ideas de Crick y Mitchinson, «Temporal differentiation and the optimization of system output«, E. Tannenbaum, Phys. Rev. E (preprint to be published), 8 January 2008. El autor introduce el nuevo concepto de diferenciación temporal, la división de una tarea en un conjunto de subtareas que han de desarrollarse en diferentes momentos, con una secuencia temporal concreta. La idea es «bonita», si el cerebro se concentra en mejorar cada una de las subtareas por separado logrará mejorar la tarea global y desarrollarla más eficientemente. El autor demuestra sus ideas con dos modelos dinámicos muy sencillos. El primero, como rellenar un tanque, y el segundo, como fabricar un producto que requiere tres agentes (fases), observando en ambos casos que el aprendizaje de la red neural se ve mejorado si fases de diferenciación temporal con una escala de tiempo lenta se producen en medio del proceso de aprendizaje mismo.

El autor concluye que su modelo presenta ideas sobre las bases evolutivas de la emergencia de los fenómeno del sueño, con sus estados REM y no REM, y de los ritmos circadianos (diarios) en general. Siguiendo las ideas de Crick y Mitchinson, la máxima cantidad de información y el máximo número de tareas que se pueden procesar en un sistema biológico complejo se consiguen si se desarrolla un «plan de trabajo» diferenciado en el tiempo. El sistema es más eficiente si se centra en una tarea en cada momento, en lugar de tratar de realizar un proceso multitarea (con lo que el cerebro es más parecido a una fábrica que a un sistema cuántico holístico). De esta forma, durante el día (vigilia) recogemos información y durante la noche (sueño) la almacenamos selectivamente  (Why Sleep?). Aunque las ideas del autor son discutibles (y serán muy discutidas en los próximos meses), ofrecen una nueva idea en un campo en el que ya hay mucho hecho, pero también queda mucho por hacer.

Lo que está claro es el que el sueño es fundamental en los humanos (y en la mayoría de los vertebrados) y es fundamental para nuestra salud. Nos ayuda a «funcionar» mejor durante el día. Así que, sin abusar, ¡¡ a dormir se ha dicho !!

PS (22 feb. 2010): Os gustará el artículo de Mónica Salomone, “Dormir para ‘vaciar’ el hipocampo … y seguir aprendiendo,” El País, 22 feb. 2010 [visto en Menéame]. Os copio algunos extractos.

“Una noche en vela reduce la capacidad de asimilar conocimientos en casi un 40%”, explica el científico Matthew Walker

El sueño es necesario para aprender. El trabajo de Matthew Walker, de la Universidad de California en Berkeley, refuerza la teoría de que el sueño limpia la memoria a corto plazo y deja sitio libre para más información. Los recuerdos de los hechos del día se almacenarían temporalmente en el hipocampo -área identificada hace tiempo como importante en la memoria- para después ser enviados a la corteza prefrontal, que dispone, probablemente, de más capacidad. “Es como si el buzón de correo entrante del hipocampo se llenara, y simplemente no van a entrar mensajes nuevos hasta que se vacíe”, dice Walker. “Los recuerdos rebotarán hasta que duermas y los muevas a otra carpeta”. La limpieza del buzón del hipocampo tiene lugar sobre todo durante una fase del sueño llamada fase 2 del sueño no-REM. La mitad del tiempo de sueño transcurre en esta fase, explicó Walker, y “no podía creer que la naturaleza dedicara tanto tiempo a algo sin motivo”.

El proceso está íntimamente relacionado con el aprendizaje. En uno de sus experimentos más recientes, Walker hizo que 39 jóvenes aprendieran una tarea específica durante un tiempo determinado, a mediodía. Todos tuvieron resultados similares. Pero a las dos de la tarde la mitad de ellos durmió una siesta y la otra mitad no, y de nuevo a las seis se dedicaron a aprender. Esta vez los que no habían dormido tuvieron resultados peores, mientras que los de la siesta mejoraron.

Así que Walker repite un consejo que no sonará nuevo a los estudiantes: pasar la noche despierto estudiando antes del examen no es en absoluto una buena idea. “Una noche sin dormir reduce la capacidad de asimilar conocimientos en casi un 40%”; las regiones cerebrales implicadas “se cierran” durante la falta de sueño.