En cronobiología , el fotoentrenamiento se refiere al proceso por el cual el reloj biológico de un organismo, o ritmo circadiano , se sincroniza con los ciclos diarios de luz y oscuridad en el medio ambiente. Los mecanismos del fotoentrenamiento difieren de un organismo a otro. [1] El fotoentrenamiento juega un papel importante en el mantenimiento de la sincronización adecuada de los procesos fisiológicos y la coordinación del comportamiento dentro del entorno natural. [2] [3] El estudio de los diferentes mecanismos de fotoentrenamiento de los organismos arroja luz sobre cómo los organismos pueden adaptarse a los cambios antropogénicos en el medio ambiente. [4] [5]
Los ritmos fisiológicos de 24 horas, conocidos ahora como ritmos circadianos, fueron documentados por primera vez en 1729 por Jean Jacques d'Ortous de Mairan , un astrónomo francés que observó que las plantas de mimosa ( Mimosa pudica ) se orientaban para estar hacia la posición del sol a pesar de estar en una habitación oscura. [6] Esa observación generó el campo de la cronobiología, que busca comprender los mecanismos que subyacen a los ritmos diarios expresados endógenamente en organismos desde las cianobacterias hasta los mamíferos , lo que incluye comprender y modelar el proceso de fotoentrenamiento.
Dos cronobiólogos destacados del siglo XX, Jürgen Aschoff y Colin Pittendrigh , trabajaron durante la década de 1960 para modelar el proceso de fotoentrenamiento y, a pesar de examinar el mismo tema, llegaron a conclusiones diferentes. Aschoff propuso un modelo paramétrico de entrenamiento, que suponía que los organismos se entrenaban a las señales ambientales de tiempo (a menudo denominadas zeitgebers , o "dadores de tiempo" en alemán) gradualmente, cambiando su período "circadiano" interno para que fuera mayor o menor de 24 horas hasta que se alineara con el tiempo zeitgeber. [7] Por el contrario, Pittendreigh propuso un modelo no paramétrico de entrenamiento, que suponía que los organismos ajustaban sus relojes internos instantáneamente cuando se enfrentaban a una señal de luz, o zeitgeber, que estaba desincronizada con el momento en que su tiempo circadiano interno esperaba ver la luz. [7]
Pittendrigh desarrolló su modelo basándose en la curva de respuesta de fase , que visualiza el efecto de pulsos de luz cortos en organismos que se desplazaban libremente (no estaban sincronizados con un zeitgeber). Pittendrigh determinó que la respuesta de un organismo a la luz dependía de cuándo se presentaba la señal. Se determinó que la exposición a la luz en la noche subjetiva temprana del organismo (la primera parte del período oscuro "normal" de un organismo) producía un retraso en el inicio de la actividad al día siguiente (retraso de fase). Además, la exposición a la luz en la noche subjetiva tardía resultó en una actividad avanzada al día siguiente (avance de fase). [8] Los cambios de fase experimentados por el organismo podrían representarse mediante una curva de respuesta de fase que consta de partes que incluyen la zona de avance, la zona de retraso y la zona muerta. Este modelo fue ampliamente aceptado por sobre el modelo paramétrico de Aschoff, pero aún no está claro qué modelo explica de manera más efectiva el proceso de fotoentrenamiento. [7]
Se ha descubierto que la intensidad de la luz en condiciones de luz constante también modula la respuesta de un organismo. Se ha descubierto que la exposición a una luz de mayor intensidad prolonga o acorta el período de un organismo según la especie, lo que se conoce como regla de Aschoff . [8]
El mecanismo molecular del fotoentrenamiento en organismos multicelulares como hongos y animales se ha relacionado con el bucle de retroalimentación de transcripción-traducción (TTFL) , donde los productos proteicos traducidos influyen en la transcripción genética. [9] El TTFL se compone de un brazo positivo y negativo, donde las proteínas del brazo positivo promueven la transcripción de genes del brazo negativo mientras que las proteínas del brazo negativo inhiben la actividad del brazo positivo. Se ha descubierto que el TTFL es autónomo y tiene un período de aproximadamente 24 horas. [9] Los componentes de los brazos positivo y negativo difieren según el organismo, pero en los mamíferos los componentes del brazo positivo incluyen CLOCK y BMAL1, mientras que los componentes del brazo negativo incluyen PER1 , PER2 , CRY1 y CRY2 . [9] En el caso de muchos mamíferos, las señales de luz detectadas por los fotorreceptores en el ojo envían señales al reloj maestro de los mamíferos ubicado en el núcleo supraquiasmático (SCN), que luego afecta la sincronización de los diversos brazos positivos y negativos. [10] Esto produce cambios en la expresión de varias proteínas del reloj, lo que permite que el organismo experimente el fotoentrenamiento. [9]
En los organismos unicelulares, se cree que los ritmos circadianos se generan sin el uso de un TTFL, sino con un complejo de 3 proteínas llamado complejo KaiABC . Se sabe que el mecanismo de sincronización en este sistema está controlado por varias proteínas. [11]
El ajuste a los ciclos ambientales es un rasgo con ventajas, y por lo tanto se encuentra en casi todos los organismos. Muchas relaciones ecológicas, como las interacciones depredador-presa, las conductas de los polinizadores y el momento de la migración, requieren la sincronización del reloj biológico de un organismo con el ritmo de 24 horas del planeta. [12] Los individuos que no están ajustados, o en otras palabras, no están sincronizados con el ciclo del día y la noche, pueden perder oportunidades de alimentación, de apareamiento, etc., lo que puede afectar sus posibilidades de supervivencia. Los modelos conocidos tanto del reloj circadiano como del mecanismo de ajuste varían en diferentes organismos a lo largo del dominio y el reino, y la importancia conductual del ajuste también varía.
Los mamíferos, para sobrevivir, deben despertarse a horas específicas para asegurarse comida y evitar convertirse en presas. En los mamíferos, el ciclo externo de luz y oscuridad sincroniza un reloj maestro, que luego sincroniza varios osciladores circadianos en todo el cuerpo, conocidos como relojes periféricos. [8] El fotopigmento melanopsina está presente en ciertas células ganglionares de la retina llamadas células ganglionares de la retina intrínsecamente fotosensibles (ipRGC) , que envían señales al núcleo supraquiasmático (SCN) , el reloj maestro de los mamíferos que controla los ritmos circadianos en todo el cuerpo. [10] Además de la melanopsina, los estudios han determinado a partir del uso de ratones deficientes en melanopsina que los bastones y los conos también pueden desempeñar un papel en las respuestas fóticas del SCN. [10] La enucleación (extirpación del ojo) en mamíferos resultó en ritmos de funcionamiento libre que indican que el ojo es necesario para el fotoentrenamiento. [13]
Las cianobacterias fotoautotróficas dependen de la luz solar para obtener energía, por lo que no anticipar la llegada de la noche pondría en peligro su capacidad de sobrevivir y reproducirse. Necesitan reservas de glucógeno suficientes para sobrevivir durante la noche. [14] El fotoentrenamiento también permite a las cianobacterias responder adecuadamente a la luz para preparar su aparato fotosintético para el amanecer, cuando predomina la luz azul. La sincronización adecuada con la luz también facilita la separación temporal entre la fijación de nitrógeno sensible al oxígeno y la fotosíntesis generadora de oxígeno, para evitar que esta última inhiba a la primera. [15]
Las cianobacterias pueden adaptarse a los pulsos de luz a nivel de una sola célula, pero no todas las cepas de cianobacterias se adaptan a la luz. Mientras que algunas cianobacterias muestran una fotosíntesis rítmica en condiciones de luz constante, otras exhiben una actividad fotosintética constitutiva en condiciones de luz constante, medida por los niveles de evolución de oxígeno fotosintético. [16]
Los hongos, al igual que los mamíferos, utilizan un reloj controlado por TTFL y, por lo tanto, su sincronización implica ajustes en las concentraciones de ciertas proteínas del reloj en función de los estímulos ambientales. Más específicamente, la luz azul induce la transcripción del gen de frecuencia frq a través del fotorreceptor WC-1 y su socio WC-2 , y el producto proteico FRQ posteriormente regula la actividad de WC-1 y WC-2 a través de la fosforilación . [17] [18] La radiación ultravioleta y otras longitudes de onda de luz pueden causar daños en el ADN y mutaciones en los hongos. Dado que la replicación del ADN requiere el desenrollado de los cromosomas y expone la molécula de ADN al daño de los rayos UV, los hongos necesitan programar la replicación del ADN durante el momento del día con la radiación UV más baja. [19]
El fotoentrenamiento tiene numerosas implicaciones clínicas. La fototerapia se puede utilizar para tratar una serie de afecciones, como el jet lag , el trastorno afectivo estacional (TAE) , los trastornos del sueño , la demencia , el trastorno bipolar , etc.
El jet lag se produce cuando el ritmo circadiano de una persona no está sincronizado con el entorno, y esto suele deberse a viajes a través de zonas horarias. Las personas con jet lag experimentan síntomas como fatiga, insomnio, dolores de cabeza, etc. Se ha planteado la hipótesis de que la terapia de luz ayuda a mitigar estos síntomas. Un estudio ha demostrado que la terapia de luz dependiendo de la dirección del viaje puede ser beneficiosa; [20] los viajeros que se dirigían al este recibieron terapia de luz de avance de fase antes de su vuelo, y los viajeros que se dirigían al oeste recibieron terapia de luz de retraso de fase antes de su vuelo. [21]
Se cree que la alteración de la actividad de la dopamina de un individuo debido a la falta de luz en los meses de invierno es una causa del trastorno afectivo estacional (TAE) . Por lo tanto, se planteó la hipótesis de que la terapia de luz podría ayudar a aumentar la actividad de la dopamina en la retina al proporcionar luz que ya no se puede obtener en el entorno. [22] La práctica de la fototerapia se inició en 1984. Tradicionalmente, una persona que recibe fototerapia para el TAE recibirá un tratamiento matutino de 5000 lux por hora. El efecto de este tratamiento es que el ritmo circadiano de la persona se adelantará. Esto se hace para contrarrestar el retraso de fase durante el invierno. [21]
La fototerapia también se puede utilizar para tratar los trastornos del ritmo circadiano del sueño. Estos trastornos son causados por discrepancias entre el ritmo circadiano de una persona y el ciclo de luz/oscuridad del entorno. Las personas con un trastorno del sueño experimentan insomnio o hipersomnia . Hay una serie de trastornos del sueño en los que la fototerapia es eficaz para tratar, como el tipo de fase de sueño retrasada (DSPT) y el tipo de fase de sueño avanzada (ASPT) . El DSPT se produce cuando una persona duerme hasta tarde y no puede despertarse temprano, lo que resulta en una falta de adaptación a un horario de trabajo típico. Hay una serie de métodos para ayudar a resolver el DSPT, incluida la exposición a la luz blanca por la mañana y la restricción de la luz después de las 4:00 p. m., las máscaras de luz y la exposición a la luz azul por la mañana. [23] El APST se caracteriza por dormir y despertarse temprano y generalmente se observa en adultos mayores. La fototerapia por la noche (que se administra antes de que la temperatura corporal alcance su punto más bajo) puede ayudar a inducir el retraso de fase en estos pacientes. [21]
La demencia es un deterioro del funcionamiento mental que provoca un deterioro de la memoria, el pensamiento, la toma de decisiones, etc. La demencia se asocia a alteraciones del ciclo sueño-vigilia. Por tanto, la fototerapia puede ayudar a mejorar el ciclo sueño-vigilia alterado. [24] De ser así, esto se traducirá en un mejor sueño junto con un mejor funcionamiento. Los estudios han analizado la fototerapia como tratamiento para la demencia, sin embargo, los resultados han sido contradictorios. Un estudio descubrió que la fototerapia matutina ayudaba a los pacientes con demencia a dormir, pero el funcionamiento no mejoraba. En otros ensayos, ni el sueño ni la conducta parecieron mejorar. Por tanto, se deben realizar más investigaciones para aclarar el potencial de la fototerapia como técnica de tratamiento exitosa para la demencia. [21]
El trastorno bipolar es un trastorno mental que se caracteriza por cambios repentinos de comportamiento, emociones, energía, etc., y estos cambios pueden denominarse episodios bipolares. Las personas con trastorno bipolar pueden experimentar tanto episodios maníacos como episodios depresivos . El trastorno bipolar es difícil de tratar, por lo que se consideró la terapia de luz como una posible solución. Un estudio relevante fue un metanálisis de ensayos de terapia de luz para el trastorno bipolar. Los hallazgos en general fueron alentadores y no concluyentes. Los hallazgos indican que la terapia de luz puede limitar los síntomas y mejorar la respuesta clínica. [25] Además, un metanálisis diferente encontró que la terapia de luz ayudó a los pacientes con sus síntomas y no causó ningún efecto negativo. Sin embargo, la terapia de luz no afectó las tasas de remisión del trastorno bipolar. [26]