Neurologia

REVISIÓN EN NEUROCIENCIA

El sistema de neurotransmisión hipocretinérgico/orexinérgico en la regulación de los estados de vigilia y sueño E. del Cid-Pellitero, M. Garzón EL SISTEMA DE NEUROTRANSMISIÓN HIPOCRETINÉRGICO/OREXINÉRGICO EN LA REGULACIÓN DE LOS ESTADOS DE VIGILIA Y SUEÑO Resumen. Introducción. Las hipocretinas/orexinas son neuropéptidos sintetizados por un pequeño grupo neuronal localizado en el hipotálamo posterolateral. Desde el momento de su descubrimiento se relacionaron, entre otras funciones, con el ciclo vigilia-sueño. Concretamente, el sistema hipocretinérgico/orexinérgico muestra una gran actividad durante la vigilia; además, la deficiencia total o parcial de estos péptidos o de sus receptores se asocia al síndrome de narcolepsia-cataplejía, que cursa con un trastorno generalizado del ciclo vigilia-sueño. Desarrollo. Las neuronas hipocretinérgicas/orexinérgicas: a) activan directamente la corteza cerebral; b) activan grupos neuronales noradrenérgicos, serotoninérgicos, dopaminérgicos, colinérgicos e histaminérgicos que constituyen parte del sistema reticular ascendente de activación, y a través de este sistema, también pueden indirectamente producir activación cortical y aumento del estado de vigilia; y c) inhiben la generación de sueño REM en el tegmento pontino ventral. Durante el sueño, las neuronas hipocretinérgicas/orexinérgicas disminuyen su actividad y, en consecuencia, la de estos núcleos aminérgicos y colinérgicos del sistema reticular activador ascendente, favoreciendo una disminución en la activación cortical y la liberación de la génesis de sueño REM en el tegmento pontino ventral. Conclusiones. Las hipocretinas/orexinas regulan el mantenimiento de la vigilia y la activación del electroencefalograma, en parte a través de la inervación de neuronas reticulares de proyección cortical, y suprimen la aparición de sueño REM mediante la inhibición del tegmento pontino ventral. La hipoactividad de este sistema en la narcolepsia explicaría la desorganización y fragmentación del sueño, así como la intrusión de episodios de sueño REM en la vigilia. [REV NEUROL 2007; 45: 482-90] Palabras clave. Hipocretina. Hipotálamo. Narcolepsia. Orexina. REM. Sueño. Vigilia.

INTRODUCCIÓN Las hipocretinas/orexinas (Hcrt/Ox) son unos neuropéptidos hipotalámicos que participan, entre otras funciones, en la regulación del ciclo vigilia-sueño (CVS). Desde el momento de su descubrimiento se han aportado numerosos datos sobre sus acciones favorecedoras del estado de vigilia y la activación cortical. También se ha propuesto que, durante la vigilia, estos neuropéptidos pueden inhibir o dificultar estructuras implicadas en el sueño REM. El cese de actividad de las neuronas Hcrt/Ox durante el sueño REM provocaría la activación de centros facilitadores de sueño REM en la formación reticular del tronco del encéfalo. La regulación que Hcrt/Ox realizan sobre las fases del CVS subyace en las bases fisiopatológicas de la narcolepsia y, por lo tanto, tiene implicaciones clínicas directas. En esta patología, la alteración del sistema Hcrt/Ox produce una desorganización general del CVS. Las neuronas Hcrt/Ox hipotalámicas pueden ejercer sus acciones ‘vigilantígenas’ mediante sus proyecciones directas a la corteza cerebral o activando estructuras subcorticales que proyectan ampliamente a la corteza cerebral y facilitan la vigilia. El locus coeruleus (LC), el núcleo dorsal del rafe (RDo), el área tegmental ventral (VTA), el núcleo tuberomamilar (TMN), los

núcleos laterodorsal tegmental (LDT) y del tegmento pedúnculo pontino (PPT), y el prosencéfalo basal (BF) son estructuras implicadas en el mantenimiento de la vigilia y la activación cortical, y se caracterizan por tener proyecciones directas hacia la corteza cerebral a través de una vía extratalámica. El favorecimiento de la vigilia por el sistema Hcrt/Ox podría deberse, en parte, a la proyección directa de las neuronas Hcrt/Ox hacia el LC, RDo, VTA, TMN, PPT, LDT y BF. Partiendo de la hipótesis de que el RDo, LC, TMN, y VTA son estructuras favorecedoras de vigilia y que la formación reticular pontina oral ventral (vRPO) es el centro inductor del sueño REM, en este trabajo revisamos la neurobiología fundamental de Hcrt/Ox y la modulación que realiza este sistema peptidérgico sobre las fases del CVS a través de esas estructuras. Los mecanismos exactos por los cuales las Hcrt/Ox facilitan la activación cortical y el estado de vigilia comportamental distan mucho de conocerse en la actualidad, aunque una hipótesis muy plausible es que lo hagan tanto directamente actuando sobre la corteza [1], como indirectamente mediante la activación (o excitación) de neuronas de proyección cortical situadas en el tronco del encéfalo y el BF [2]. La mayoría de las neuronas Hcrt/Ox incrementan su descarga durante la vigilia y disminuyen su actividad durante el sueño [3].

Aceptado tras revisión externa: 17.07.07. Departamento de Anatomía, Histología y Neurociencia. Universidad Autónoma de Madrid. Madrid, España. Correspondencia: Dr. Miguel Garzón García. Departamento de Anatomía, Histología y Neurociencia. Universidad Autónoma de Madrid. Arzobispo Morcillo, 4. E-28029 Madrid. Fax: +34 914 975 338. E-mail: miguel.garzon @uam.es Trabajo financiado con las ayudas BFI2003-00809 y BFU2006-07430 del Ministerio de Educación y Ciencia. English version available in www.neurologia.com © 2007, REVISTA DE NEUROLOGÍA

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HIPOCRETINAS/OREXINAS En 1998, los grupos de De Lecea y Sakurai describieron de forma independiente y mediante abordajes experimentales diferentes, la existencia de dos péptidos desconocidos sintetizados por neuronas localizadas en el hipotálamo [4,5]. El primer grupo observó que estos péptidos únicamente se expresaban en el hipotálamo posterolateral (HPL) y que presentaban un gran parecido con la hormona secretina; los denominaron hipocretina 1 (Hcrt1) e hipocretina 2 (Hcrt2) [4]. El grupo de Sakurai

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Figura 1. Inmunorreactividad para orexina A (OxA) en cortes coronales del encéfalo de la rata. A) Microfotografía que muestra neuronas inmunorreactivas para OxA en el hipotálamo posterolateral. B) Imagen a mayor aumento del área enmarcada en A. El producto de reacción de la DAB en color marrón rellena el citoplasma de algunas neuronas de morfología multipolar. Las flechas rojas señalan algunas varicosidades en una fibra inmunorreactiva para OxA; la flecha negra señala una bifurcación dendrítica en una neurona inmunorreactiva para OxA. C) Inmunorreactividad doble para OxA y el trazador retrógrado fluorogold en el núcleo dorsal del rafe, tras una inyección de fluorogold en la corteza frontal medial. D) Imagen a mayor aumento del área enmarcada en C. La flecha blanca señala la superposición de una fibra inmunorreactiva para OxA (producto de reacción negro) y una neurona de proyección cortical rellena de fluorogold (producto de reacción marrón). E) Tinción inmunohistoquímica doble para orexina A y fluorogold en el locus coeruleus, tras una inyección de fluorogold en la corteza frontal medial. F) Imagen a mayor aumento del área enmarcada en E. La flecha blanca indica la superposición de una fibra inmunorreactiva para OXA (producto de reacción negro) y una neurona rellena de fluorogold (producto de reacción marrón), y por lo tanto de proyección hacia la corteza. 3V: tercer ventrículo; f: fórnix; Flm: fascículo longitudinal medial; H: hipotálamo; HDM: núcleo hipotalámico dorsomedial; HL: hipotálamo lateral; HVM: núcleo hipotalámico ventromedial; LC: locus coeruleus; MeV: núcleo mesencefálico del trigémino; PBL: núcleo parabraquial lateral; RDo: núcleo dorsal del rafe; xscp: decusación del pedúnculo cerebeloso superior.

los denominó orexina A (OxA) y orexina B (OxB), ya que cuando se administran centralmente producen un aumento del apetito [5]. Estas neuronas, a pesar de constituir una población reducida, tienen un amplio sistema de proyección hacia distintas zonas del encéfalo muy involucradas en la regulación del CVS. Entre los núcleos inervados profusamente por las neuronas Hcrt/Ox destacan el LC, los RDo y BF [6]; se sabe que estas estructuras están implicadas en el favorecimiento del estado de vigilia comportamental y la activación cortical. También es abundante la inervación Hcrt/Ox del tegmento troncoencefálico, incluido el vRPO como regulador del sueño REM [7]. Los dos grupos anteriormente mencionados observaron que las neuronas que expresaban ambos péptidos se distribuían de forma simétrica bilateral en las áreas hipotalámicas dorsal y lateral [4,5], en la región perifornical, situada entre el fórnix y el tracto mamilotalámico (Fig. 1). Al poco tiempo de su descubrimiento se confirmó que Hcrt y Ox eran el mismo péptido [8]. Ambos péptidos proceden de una proteína precursora, preprohipocretina (preproHcrt) [4] o preproorexina (preproOx) [5]. La preproHcrt/preproOx está formada por 131 aminoácidos en humanos y por 130 aminoácidos en roedores. Presenta tres sitios proteolíticos que dan lugar a Hcrt1/OxA (33 aminoácidos) y Hcrt2/OxB (28 aminoácidos), ambas con residuos de glicina, amiladas en el extremo carboxiloterminal [4,5]. La Hcrt1/OxA difiere de la Hcrt2/OxB en dos puentes disulfuro, que le confieren una mayor estabilidad estructural y permiten que permanez-

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ca en el líquido cefalorraquídeo [9], y en un residuo de piroglutamil en el extremo aminoterminal [5]. El gen de la Hcrt/Ox se ha localizado en el cromosoma 17q21-q24 [4,5]. La Hcrt1/OxA y la Hcrt2/OxB presentan aproximadamente un 46% de homología, según la especie, difiriendo principalmente en el extremo carboxiloterminal. La secuencia de Hcrt2/OxB en humanos y roedores parece diferir en dos aminoácidos, aunque no todos los estudios coinciden en esta aseveración [4,5,10]. La Hcrt1/OxA es idéntica en humanos, ratas, ratones y ovejas, y no se encuentra en la glándula pineal, la hipófisis ni la mayoría de tejidos periféricos [10,11]. El número aproximado de neuronas Hcrt/Ox en la rata es 15.000 a 80.000; tienen un diámetro de 25-30 µm [4] y presentan un núcleo invaginado con un nucleolo único grande [6]. Las neuronas inmunorreactivas para Hcrt/Ox tienen una morfología variada, desde fusiforme a multipolar [4,5]. En el ámbito subcelular, Hcrt/Ox se localiza en cisternas del retículo endoplásmico, aparato de Golgi y vesículas citoplasmáticas granulares densas de gran tamaño en somas y dendritas; su localización también es vesicular en axones [4,6]. Existen dos tipos de receptores para Hcrt/Ox. Ambos están acoplados a proteínas G y presentan una homología de aproximadamente el 64%. El receptor Hcrt1R/OX1R estructuralmente es similar a la mayoría de los receptores de neuropéptidos. Tiene una afinidad mucho mayor por la Hcrt1/OxA que por la Hcrt2/OxB [5,10]. El ARNm para Hcrt1R/OX1R está presente principalmente en el núcleo hipotalámico ventromedial (HVM),

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aunque también se halla en una alta proporción en el núcleo hipotalámico dorsomedial, núcleo del lecho de la estría terminal, formación hipocampal (CA1, CA2), amígdala, tenia tecta, formación reticular mesopontina, RDo, núcleo del rafe mediano y LC [10,12]. El Hcrt2R/OX2R se une más o menos con la misma afinidad tanto a Hcrt1/OxA como a Hcrt2/OxB. Se localiza principalmente en el núcleo paraventricular del hipotálamo y también en la corteza cerebral, principalmente en la capa VI, tubérculo olfatorio, ganglios basales, hipotálamo, TMN, núcleo accumbens, BF, núcleos paraventricular y central medial del tálamo, formación reticular mesopontina y núcleo del rafe mediano; en general, tiene menos expresión que Hcrt1R/OX1R [10,12]. Las principales funciones que se atribuyen a las Hcrt/Ox son las siguientes [6]: Estimulación del apetito La Hcrt1/OxA y, en menor medida, la Hcrt2/OxB son sustancias estimuladoras del hambre. Las neuronas Hcrt/Ox son sensibles a la glucosa [5]. Además, estas neuronas presentan receptores para leptina [10] y STAT 3 (un factor de transcripción activado por la leptina) [13]. Control neuroendocrino y cardiovascular Las neuronas Hcrt/Ox inervan el núcleo arcuato del hipotálamo y afectan su actividad sináptica; este núcleo regula la secreción de hormonas de la adenohipófisis e influye en la presión arterial [6,14]. Las Hcrt/Ox modulan también los niveles plasmáticos de prolactina y GH [15]. Por otra parte, los receptores para Hcrt/Ox son abundantes en otros núcleos implicados en funciones vegetativas, como el núcleo de Barrington, que participa en la micción y en la motilidad del colon [16]. El área perifornical y el hipotálamo lateral (HL) están implicados en la respuesta cardiovascular asociada a la emoción. La zona perifornical recibe aferencias de áreas relacionadas con funciones cardiovasculares como la sustancia gris periacueductal ventromedial, RDo y LDT; también las neuronas Hcrt/Ox proyectan a numerosas zonas del encéfalo que participan en la regulación de la función cardiovascular como el bulbo ventrolateral, núcleo paragigantocelular lateral, LC, región periacueductal, región parabraquial y área postrema [6]. Control homeostático del sistema simpático y parasimpático Existe una intensa inervación Hcrt/Ox en el LC, así como una llamativa expresión de Hcrt1R/OX1R [6,13,16-18]. Termorregulación Numerosos axones que contienen Hcrt/Ox alcanzan el rafe magno, el HL y el núcleo subcoeruleus, zonas implicadas en la regulación de la temperatura corporal. Además, las propias neuronas Hcrt/Ox se localizan en el HPL, otra estructura implicada en esta función [6]. Modulación del dolor La inervación Hcrt/Ox existente en la zona marginal de la médula espinal sugiere que las Hcrt/Ox podrían participar en la modulación nociceptiva [19]. Además, la administración intracerebroventicular e intratecal de Hcrt1/OxA y Hcrt2/OxB tiene efecto antinociceptivo en ratones [20]. Esta regulación también podría efectuarse a través de los núcleos del rafe, los cuales pre-

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sentan inmunorreactividad intensa para dichos neuropeptidos y sus receptores [6,16]. Regulación del ciclo vigilia-sueño Véase más adelante. CICLO VIGILIA- SUEÑO Desde la aparición de los trabajos clásicos de von Economo a principios del siglo XX se sabe que el hipotálamo participa en la regulación de los estados de vigilia y sueño [21]. El hipotálamo posterior constituye un centro promotor de la vigilia, mientras que el hipotálamo anterior favorece la aparición del sueño [22]. Bremer fue el primer investigador que postuló que la vigilia se debe a impulsos tónicos que ascienden por el tronco del encéfalo hacia estructuras prosencefálicas [23]. La activación cortical presente durante el estado de vigilia obedece a impulsos tónicos subcorticales procedentes de la formación reticular y el hipotálamo posterior, que son sustratos fundamentales para la generación de ese estado. Ambos configuran el sistema reticular ascendente de activación, descrito por Moruzzi et al [24]. En la década de los setenta, Hobson et al [25] observaron que unas neuronas específicas de la formación reticular, las neuronas aminérgicas (noradrenérgicas del LC y serotoninérgicas del rafe, fundamentalmente), presentan en vigilia una intensa actividad, que disminuye de forma progresiva durante el sueño no REM hasta cesar completamente en el sueño REM. La interacción recíproca entre neuronas aminérgicas y colinérgicas se propuso en aquel momento como la base de la alternancia entre la vigilia y el sueño. Hoy sabemos que el sistema de vigilia que activa la corteza cerebral comprende neuronas excitadoras de fenotipos neuroquímicos diversos (Fig. 2): neuronas glutamatérgicas reticulares, noradrenérgicas del LC, serotoninérgicas del rafe, dopaminérgicas del VTA e histaminérgicas del TMN; los impulsos colinérgicos activadores de la corteza cerebral proceden fundamentalmente de neuronas del BF, aunque también de los núcleos colinérgicos del istmo pontomesencefálico (PPT y LDT). Todos estos núcleos neuroquímicamente específicos pueden activar la corteza cerebral directamente o bien a través de sus proyecciones al tálamo, con la consecuente activación de los sistemas talamocorticales [26,27]. Por otra parte, todos ellos están sometidos a la influencia de Hcrt/Ox, ya que reciben profusas proyecciones desde las neuronas Hcrt/Ox situadas en el hipotálamo, lo cual ha propiciado que Hcrt/Ox se considere un regulador muy preciso de los sistemas ‘vigilantígenos’. Para que se produzca el estado de vigilia con todas sus características es fundamental la actuación conjunta y sinérgica de estos sistemas de neurotransmisión específica sobre el tálamo y la corteza cerebral. La distribución de los neurotransmisores en los distintos núcleos talámicos y áreas corticales no es homogénea, sino específica y particular para cada uno de ellos, de modo que la implicación en los fenómenos y procesos que ocurren en la vigilia tiene características diferenciales para cada neurotransmisor [28,29]. Vía indirecta: reticulotalamocortical Todos los núcleos que utilizan neurotransmisores específicos anteriormente mencionados (LC, RDo, VTA, TMN, LDT, PPT y BF) proyectan al tálamo con patrones específicos en cada caso y favorecen la activación cortical mediante la facilitación de los sistemas talamocorticales.

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– La acetilcolina (Ach) –BF, LDT, PPT– facilita tanto la vigilia como el sueño REM, produciendo la generación de ritmos rápidos en el electroencefalograma [29,31,34].

a

b

Figura 2. Esquemas sagitales del encéfalo de la rata que muestran las influencias activadoras de la corteza cerebral desde estructuras subcorticales no talámicas. a) Neuronas bioquímicamente específicas del locus coeruleus (LC), rafe dorsal (RDo), núcleo laterodorsal tegmental (LDT), núcleo del tegmento pedúnculo pontino (PPT), área tegmental ventral (VTA), núcleo tuberomamilar (TMN) y prosencéfalo basal (BF) envían proyecciones ascendentes directas hacia la corteza cerebral; b) Las neuronas hipotalámicas hipocretinérgicas/orexinérgicas (HCRT) proyectan tanto a la corteza cerebral de forma directa como a núcleos bioquímicamente específicos que proyectan a la corteza, como son LC, RDo, LDT, PPT, VTA, TMN y BF. De este modo, las neuronas HCRT pueden activar la corteza cerebral directamente, y también mediante activación de estructuras subcorticales favorecedoras de vigilia.

Vía directa: reticulocortical Las acciones directas de cada neurotransmisor sobre la corteza cerebral permiten establecer ciertas particularidades o matices a la vigilia resultante; dicho de otro modo, cada neurotransmisor parece estar implicado en determinados aspectos del estado de vigilia [28]: – La noradrenalina (NA) –LC– tiene un efecto fásico sobre las neuronas de la corteza cerebral, de manera que favorece la selección de respuestas apropiadas en un contexto de hiperestimulación, es decir, durante el despertar, en situaciones de alerta y en procesos atencionales y de aprendizaje [29-31]. – La serotonina (5-HT) –núcleos del rafe– produce un efecto tónico en las neuronas corticales. Es importante en la modulación de estas neuronas durante los cambios de fase o en los distintos niveles de vigilia [29,31]. – La dopamina (DA) –VTA– se libera de forma más uniforme que las anteriores durante el CVS. Principalmente, modula los circuitos corticocorticales e influye en procesos integrativos [29,31]. – La histamina (His) –TMN– se libera de manera tónica y específica sobre la corteza en vigilia y participa en el mantenimiento de este estado ante nuevas situaciones [31]. Además, influye en la actividad motora e inhibe el sueño REM [32,33].

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SISTEMA HCRT/OX Y SUEÑO En la rata, la distribución de las proyecciones Hcrt/Ox por todo el sistema nervioso central se ha estudiado mediante técnicas inmunohistoquímicas. Los axones de las neuronas Hcrt/ Ox presentan una gran variedad en su grosor y tienen un alto número de varicosidades [6]. Llama la atención el hecho de que un número tan limitado de neuronas, como son las Hcrt/ Ox, presenten proyecciones tan extensas (Fig. 1). De forma resumida: – Vías al tronco del encéfalo: a) Dorsal: pasando por la sustancia gris central llegan al colículo inferior caudal, LC, RDo y LDT. Cruzando por el área tegmental dorsal alcanzan el PPT, la región parabraquial y el núcleo subcoeruleus. b) Ventral: VTA, sustancia negra compacta, núcleos del rafe, formación reticular del puente oral caudal y ventral, y núcleo subcoeruleus. – Proyecciones al diencéfalo y telencéfalo: a) Hipotálamo: fundamentalmente TMN y núcleo arcuato. b) Tálamo: núcleo paraventricular y núcleo central medial. c) BF. d) Corteza cerebral.

Estas proyecciones sugieren que las neuronas Hcrt/Ox podrían intervenir en aspectos cognitivos, autonómicos, motivacionales y emocionales [5,6,8]. En lo que se refiere a la regulación del CVS, las neuronas Hcrt/Ox inervan todas las estructuras pertenecientes al sistema activador ascendente responsable de la vigilia (LC, RDo, TMN, VTA, PPT/LDT y BF) [6], que además expresan receptores para Hcrt/Ox [12,16]. Por lo tanto, el sistema Hcrt/Ox podría ayudar a mantener el estado de vigilia mediante la activación del sistema reticular ascendente de activación. De acuerdo con la actividad que presentan durante el sueño REM, las neuronas aminérgicas y colinérgicas pueden clasificarse en (Tabla): – Neuronas REM off: corresponden a las células que contienen NA en el LC, 5-HT en el rafe e His en el TMN. Estas neuronas están activas durante la vigilia y silentes durante el sueño REM [25]. La Hcrt/Ox activa este tipo de células [17,18,33,35]. – Neuronas REM on: corresponden a las neuronas colinérgicas localizadas en el PPT/LDT y el BF [34]. Parece que las Hcrt/Ox tienen una función excitadora con un pico de secreción al final de la vigilia, tanto en las especies diurnas como en las nocturnas [36]; por esta razón se piensa que estabilizan el estado de vigilia, lo que podría explicar la al-

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teración de los estados del sueño que sufren los enfermos de narcolepsia [4]. La implicación de las Hcrt/Ox en el control motor y el control del tono muscular postural puede ser la causa de la cataplejía en los narcolépticos [36,37]. Una posible explicación a la acción de las Hcrt/Ox en el CVS es la planteada por Kilduff et al [13], quienes propusieron que dichas neuronas son REM on/wake on. Según estos autores, las neuronas Hcrt/Ox durante la vigilia excitarían las neuronas monoaminérgicas, y su activación provocaría la desincronización de la actividad cerebral cortical, característica del estado de despertar. En el sueño no REM disminuiría la actividad de las neuronas Hcrt/Ox debido a la acción de neuronas gabérgicas del hipotálamo anterior. Esto conduciría a un descenso en la actividad de LC, RDo, TMN y VTA, apareciendo sincronización en el circuito talamo-cortical. Las neuronas Hcrt/Ox están activas principalmente durante la vigilia, pero según la hipótesis de Kilduff et al, también durante el sueño REM [13,38], que transcurre igualmente con activación cortical. Proponen que durante este estado no hay excitabilidad de las neuronas monoaminérgicas, que están en estado silente. Se desinhiben las neuronas del LDT/PPT (grupo REM on), aumentando la desincronización cortical [13,31]. Sin embargo, otros estudios posteriores describen una disminución de actividad de las neuronas Hcrt/Ox durante el sueño REM [3]. Otro modelo de regulación Hcrt/Ox del CVS es el propuesto por Saper et al [2] (modelo flip-flop), que relaciona de forma bidireccional el área preóptica ventrolateral (VLPO) del hipotálamo anterior con los núcleos aminérgicos (LC, RDo, TMN). Según este modelo, VLPO y LC/RDo/TMN tienen efectos antagónicos sobre el estado de vigilia, de tal forma que VLPO inhibiría la vigilia y LC/RDo/TMN la facilitaría. Ambos sistemas se inhiben recíprocamente, permaneciendo en un estado de equilibrio biestable (vigilia-LC/RDo/TMN o sueño-VLPO). La Hcrt/Ox estabilizaría los cambios de un estado a otro actuando sobre ambos. Por lo tanto, en este modelo, las neuronas Hcrt/Ox serían REM off/wake on [2]. Hcrt/Ox y LC Se sabe que las neuronas del LC son el origen de un sistema de proyección extenso a la corteza cerebral y que forman parte del sistema catecolaminérgico relacionado con la atención, el aprendizaje, la memoria y el CVS (Figs. 1 y 2) [39,40]. Estudios de activación selectiva del LC han demostrado que este núcleo puede por sí solo ser suficiente, aunque no imprescindible, para producir activación del electroencefalograma cortical [30]. Por otra parte, se ha demostrado que las neuronas del LC presentan receptores para Hcrt/Ox, principalmente Hcrt1R/OX1R [12,16]. La administración de Hcrt/Ox en el LC de la rata produce aumento de vigilia y supresión de sueño REM [41]. Además, se han realizado registros electrofisiológicos que concluyen que las Hcrt/Ox aumentan la frecuencia de descarga de las neuronas NA del LC [17,18]. Las interacciones celulares entre los axones Hcrt/Ox procedentes del hipotálamo y las neuronas NA locales se han estudiado ultraestructuralmente en el LC de la rata; la mayoría de las sinapsis encontradas fueron asimétricas, tanto axodendríticas como axosomáticas [17]. Los datos obtenidos tras medir el potencial de acción espontáneo extracelular y la despolarización que sufren las células en presencia de Hcrt1/OxA sugieren que la Hcrt1/OxA y, en menor medida, la Hcrt2/OxB, a través del Hcrt1R/OX1R, intervienen de manera fundamental en la modu-

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Tabla. Actividad neuronal de distintos grupos de neuronas neuroquímicamente específicas durante las fases de vigilia y sueño REM. Vigilia

REM

Hcrt/Ox

++++

–

RDo (5-HT), LC (NA), TMN (His)

++++

–

VTA (DA)

+++

–

BF (ACh)

+++

+++

++

++++

LDT, PPT (ACh)

++++: muy intensa; +++: intensa; ++: moderada; –: silente.

lación intrínseca de las neuronas del LC, provocando un mayor disparo de éstas [18]. Todas estas observaciones demuestran que el sistema Hcrt/Ox excita a las neuronas NA del LC. Hcrt/Ox y RDo El RDo se localiza en la porción ventromedial de la sustancia gris periacueductal, en la unión pontomesencefálica, y proyecta abundantemente a la corteza cerebral (Figs. 1 y 2) [42]. Es una de las estructuras que contiene más neuronas serotoninérgicas del sistema nervioso central. La serotonina puede tener efectos excitadores e inhibidores sobre la corteza, ya que actúa tanto sobre neuronas piramidales como sobre interneuronas gabérgicas [43]. Los mecanismos por el momento se desconocen, aunque los datos resultantes tras estimular los núcleos del rafe a baja frecuencia sugieren que cantidades fisiológicas de 5-HT podrían inhibir a las neuronas piramidales [44]. Las neuronas Hcrt/Ox inervan intensamente el RDo [6,45] y eso hace pensar que RDo puede ser una de las vías por las cuales Hcrt/Ox facilita la vigilia [46]. En el RDo están presentes tanto Hcrt1R/OX1R como Hcrt2R/OX2R [5,12,16]. Parece que las células serotoninérgicas se activan fundamentalmente por Hcrt2R/OX2R; esta activación se potenciaría por la presencia de Hcrt1R/OX1R, aumentando la frecuencia de disparo de dichas neuronas. La administración continua de Hcrt/Ox no reduce su acción en el RDo, al igual que ocurre en el LC [47] y en la sustancia negra [48]; es decir, no se produce adaptación al efecto activador de las Hcrt/Ox en estas estructuras. Por el contrario, en el LDT, la acción excitadora de las Hcrt/Ox disminuye con el tiempo. Experimentos de microscopía electrónica indican que la Hcrt/Ox se localiza en gran proporción en vesículas grandes de centro denso en las terminaciones axónicas del RDo. Estos terminales presentan dos tipos de sinapsis: asimétricas, preferentemente si la interacción es axodendrítica, y simétricas, en el caso de interacciones axosomáticas [49]. Hcrt/Ox y TMN El TMN del hipotálamo posterior es el origen de la inervación histaminérgica de la corteza cerebral; las neuronas histaminérgicas de este núcleo descargan activamente durante la vigilia, disminuyen su actividad al inicio del sueño y están inactivas durante la fase de sueño REM [31,50,51]. Las neuronas Hcrt/Ox proyectan intensamente al TMN [6], y la Hcrt/Ox produce depolarización y aumento de la frecuencia de descarga de las células histaminérgicas del TMN [32,33]. Experimentos realizados en ratones modificados genéticamente indican que el efecto ‘vigilantígeno’ de Hcrt/Ox depende

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en gran medida de la activación de las células histaminérgicas [52]. Los niveles de His están muy disminuidos en la corteza cerebral en los perros narcolépticos [53]. El hipotálamo anterior envía proyecciones gabérgicas hacia el TMN que participan seguramente en la inhibición de las neuronas histaminérgicas durante el sueño [54]. Hcrt/Ox y VTA El VTA del mesencéfalo contiene neuronas dopaminérgicas de proyección cortical y límbica. Recibe una densa inervación de fibras Hcrt/Ox [6] y expresa receptores para Hcrt/Ox [55]. Aunque la administración de Hcrt/Ox en el VTA produce aumento de la liberación de DA en la corteza cerebral [56], las respuestas celulares de las neuronas del VTA a la Hcrt/Ox son muy heterogéneas; se ha descrito aumento de descargas en ráfagas e incremento de la frecuencia de descarga, o ausencia de efecto, tanto en neuronas dopaminérgicas como no dopaminérgicas [57]. La infusión de Hcrt/Ox en el VTA produce aumento de vigilia y activación del electroencefalograma cortical [56]. Hcrt/Ox y BF-PPT/LDT Las neuronas Hcrt/Ox proyectan al BF [6], donde establecen sinapsis asimétricas con neuronas colinérgicas [58], en las que producen una intensa activación [59]. Además, la aplicación de Hcrt/Ox en el BF produce un aumento de la fase de vigilia [60] y de la liberación de Ach cortical [61]. La Hcrt/Ox también produce excitación en las neuronas colinérgicas del istmo pontomesencefálico (LDT/PPT) [62], que son el principal origen de la inervación colinérgica del tálamo y participan activamente en la activación cortical presente tanto en la vigilia como en el sueño REM [63]. La inyección de Hcrt/Ox en el LDT produce aumento de vigilia y disminución de sueño REM [64]. Hcrt/Ox y vRPO El vRPO es la zona más sensible del tegmento pontino oral a la inducción farmacológica de sueño REM [27] y está inervado por las neuronas Hcrt/Ox hipotalámicas [7]. La microinyección de Hcrt/Ox en el vRPO produce disminución de sueño REM acompañada o no (dependiendo de la dosis) de aumento de vigila [65]. Además, las Hcrt/Ox inhiben la actividad neuronal en el vRPO; este efecto puede bloquearse localmente con bicuculina (antagonista GABAA), sugiriendo estar mediado por la activación de receptores GABA [7]. Las neuronas Hcrt/Ox durante la vigilia deben estar inhibiendo mecanismos de generación de sueño REM en el vRPO. Proponemos, pues, que en condiciones normales esa inhibición desaparece cuando cíclicamente entramos en sueño REM y, por tanto, las neuronas Hcrt/Ox serían REM off/wake on. En la narcolepsia, la desaparición de esa inhibición ocasionada por una insuficiente acción de Hcrt/Ox originaría la intromisión de la fase REM, de manera incontrolada y repentina, durante la vigilia, así como la pérdida del ritmo del CVS. Los ataques de sueño REM incoercibles que caracterizan (junto a la inhibición vigil) a la narcolepsia podrían deberse por tanto a la desinhibición del generador pontino del REM (vRPO). Es decir, la activación de las neuronas Hcrt/Ox provocaría la generación de la vigilia y simultáneamente inhibiría la generación del sueño REM. HIPOCRETINA/OREXINA Y NARCOLEPSIA La sintomatología de la narcolepsia consiste principalmente en excesiva somnolencia diurna y en el inicio prematuro de la fase

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de sueño REM (latencia de REM acortada), a veces directamente desde la fase de vigilia sin tener sueño de ondas lentas previo. Los pacientes narcolépticos se caracterizan además por presentar niveles muy bajos o indetectables de Hcrt/Ox en el líquido cefalorraquídeo [9]. Por otra parte, existen modelos animales de narcolepsia consistentes en alteraciones de los receptores oxinérgicos [66] o ausencia del péptido [67]. Por esta razón, se cree actualmente que la narcolepsia es una consecuencia directa de la degeneración de las neuronas productoras de Hcrt/Ox, que conduce a una hipofunción hipocretinérgica generalizada. Esta anomalía produciría una alteración en las transiciones normales entre los distintos estados de conciencia y de activación cortical. La narcolepsia se caracteriza por una desorganización generalizada del CVS. Además de la somnolencia diurna excesiva y la alteración del sueño REM, cursa con colapsos de pérdida de conciencia y, en menor medida, con cataplejía, esto es, una pérdida de tono muscular súbita causada por un estímulo sensorial, pero manteniendo la conciencia. Los narcolépticos también pueden tener alucinaciones hipnagógicas (al inicio del sueño) o hipnopómpicas (al despertar) y parálisis de sueño (incapacidad de moverse al inicio del sueño y al despertar). Todos estos síntomas parecen ser secundarios a una regulación alterada de los estados de sueño y a un sueño nocturno desorganizado. Esta enfermedad tiene una prevalencia aproximada de 1:2.000 a 1:4.000; normalmente, los síntomas aparecen por primera vez durante la adolescencia y no hay diferencias entre sexos [36,68]. La somnolencia diurna excesiva y la cataplejía son los síntomas cardinales para el diagnóstico; el resto de los síntomas son mucho menos frecuentes y pueden aparecer en otras enfermedades o incluso en sujetos sanos. En general, un paciente narcoléptico sólo presenta algunos de los síntomas, y es raro encontrar el cuadro sindrómico completo en una misma persona. Los síntomas de la narcolepsia se atribuyen a una incapacidad para regular el sueño REM. De este modo, la cataplejía y las parálisis del sueño serían la intrusión en la vigilia de la parálisis muscular típica del REM. Las alucinaciones serían la expresión de los fenómenos oníricos característicos del REM durante la vigilia. El tiempo total de sueño de un individuo con narcolepsia y uno normal es el mismo, la diferencia radica en la dificultad de los narcolépticos para mantener de forma prolongada tanto el estado de vigilia como el estado de sueño [36]. Las razones de que se relacionen las Hcrt/Ox con la narcolepsia son variadas. Por una parte, en los pacientes narcolépticos se ha observado pérdida de neuronas Hcrt/Ox en el HPL [69,70] y una disminución o ausencia de Hcrt1/OxA en el líquido cefalorraquídeo [9,71]; además, se ha encontrado gliosis de la zona perifornical del HPL en algunos narcolépticos [69,70]. Estos estudios, junto a la asociación de narcolepsia con determinados antígenos del sistema mayor de histocompatibilidad (HLA), hacen pensar que la narcolepsia podría ser una enfermedad autoinmune/neurodegenerativa. El marcador astrocitario GFAP (proteína acídica fibrilar glial) parece estar presente únicamente en algunos pacientes, aunque es un dato poco relevante ya que el tejido analizado llevaba almacenado mucho tiempo y podría haber perdido la inmunorreactividad [69]. Por otro lado, la causa de la narcolepsia canina hereditaria es una mutación del gen OX2R [66] y los ratones con deleción del gen Hcrt/Ox presentan sintomatología narcoléptica [67]. Pese a que en la narcolepsia humana la hipótesis más admitida es la autoinmune/neurodegenerativa, no se descarta que en lugar de dege-

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nerar las neuronas Hcrt/Ox, dejen de sintetizarse los péptidos o sus receptores. Aunque la heredabilidad de la narcolepsia humana es baja, está claro que existe un componente genético en su patogenia; se han propuesto varias hipótesis, siendo las más aceptadas las dos siguientes: – Alelo mutado HLA II en leucocitos (DQB1*0602). Este haplotipo está presente en aproximadamente un 30% de la población, y la mutación se ha observado en más del 90% de los narcolépticos con cataplejía; es decir, la narcolepsia es una de las enfermedades con más alta asociación de alelos específicos para el HLA. Por ello se piensa que la narcolepsia puede ser una enfermedad autoinmune [36,68,71,72]. – Gen que codifica para Hcrt/Ox. En perros narcolépticos se ha encontrado una mutación en Hcrt2/OxB con una herencia autosómica recesiva. La mutación del gen Hcrt2/OxB esta implicada en la cataplejía y la alteración del sueño REM [53,66,73,74]. En humanos, hasta el momento exclusivamente se han descrito mutaciones en el gen preproHcrt/preproOx [70]. No obstante, los resultados obtenidos en modelos animales no se correlacionan exactamente con las bases de la hipótesis de degeneración; por ejemplo, los perros knock-out Hcrt2/OxB –/– presentan gliosis en estructuras no hipotalámicas [73] y los ratones knock-out Hcrt/Ox –/– no tienen una desorganización generalizada del CVS [67,75,76]. Los datos disponibles en la actualidad indican que la narcolepsia humana no es una entidad nosológica única, sino un cuadro sindrómico que puede englobar procesos con distintas causas aunque con las mismas manifestaciones. El avance en un mejor diagnóstico y tratamiento de la narcolepsia pasa sin duda por desgranar los complejos aspectos parciales que constituyen este síndrome. Actualmente, las Hcrt/Ox se consideran neuromoduladores que favorecen el estado de vigilia actuando a través de núcleos como LC, RDo, LDT, PPT, VTA y TMN, y también que inhiben el sueño REM actuando sobre el vRPO [2,7]. En la narcolepsia habría un deterioro de las proyecciones Hcrt/Ox que provocaría, por una parte, hipoactividad de los sistemas activadores ascendentes y disminución de la estimulación de la corteza cerebral, y por otra, una liberación del vRPO con la consecuente aparición de episodios de sueño REM. Esto explicaría la gran proporción de transiciones entre vigilia y sueño, REM fragmentado e hipersomnolencia [77]. La actividad theta en el electroencefalograma y la atonía son características que comparten la cataplejía y el sueño REM. Sin embargo, experimentos hechos con ratones knock-out Hcrt/Ox –/– [75,76] sugieren que durante la cataplejía, el rafe y el TMN disparan, mientras que durante el sueño REM permanecen silentes. Los ratones presentaban una ligera alteración del sueño REM, con latencia menor, pero no encontraron cambios significativos en los períodos de vigilia y de sueño no REM. En general, el estado de vigilia-sueño era normal, aunque la duración de cada una de las fases era muy corta. Algunos autores consideran el fenómeno de cataplejía como una manifestación fragmentada

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del sueño REM o como un estado de transición entre la vigilia y el sueño REM. Los modelos neurobiológicos propuestos para explicar la presencia de hipersomnolencia en la narcolepsia son los siguientes: – Deficiencia del sistema hipocretinérgico/orexinérgico. Las neuronas Hcrt/Ox activan estructuras que participan en la génesis de la vigilia: las neuronas aminérgicas (LC, RDo, VTA) y colinérgicas (PPT/LDT) del tronco del encéfalo, histaminérgicas del hipotálamo (TMN) y colinérgicas del BF [6,13,18,32,49,57,59,62]. La disminución de actividad de estas neuronas favorece la sincronización de los sistemas talamocorticales y la aparición de sueño [63,78]. Determinados individuos presentan hipersomnia idiopática asociada a una reducción de los niveles de Hcrt1/OxA en el líquido cefalorraquídeo [36]. – Pérdida del control circadiano. El núcleo supraquiasmático desempeña un papel esencial en el CVS. Se sabe que las neuronas Hcrt/Ox y el núcleo supraquiasmático están interconectados [79]. Los narcolépticos tienen al menos dos inclusiones de sueño REM durante la vigilia, que podrían deberse a un descenso de la amplitud de las señales circadianas [80]. CONCLUSIONES Las Hcrt/Ox son péptidos sintetizados exclusivamente por un grupo reducido de neuronas localizadas en el área perifornical del HPL; estas neuronas son el origen de un sistema de proyección muy amplio y divergente que inerva múltiples estructuras del sistema nervioso central. Estos neuropéptidos participan en el control de múltiples funciones del organismo, como la regulación del CVS y del apetito, la termorregulación y el control neuroendocrino y cardiovascular. Las neuronas Hcrt/Ox favorecen la vigilia mediante su proyección excitadora a estructuras aminérgicas (RDo, LC, VTA, TMN) y colinérgicas (BF, PPT/LDT) implicadas en esta fase del sueño, e inhiben el sueño REM mediante sus acciones en el vRPO. Los pacientes narcolépticos presentan una disminución o inexistencia de Hcrt/Ox en el líquido cefalorraquídeo, una disminución de neuronas Hcrt/Ox y gliosis parcial en el HPL. Se cree que estos hallazgos se deben a una degeneración de las neuronas Hcrt/Ox. Además, el 90% de los narcolépticos con cataplejía presentan el alelo mutado para la HLA II, lo que indica que esta degeneración posiblemente tiene una base autoinmune. Los estudios en animales de experimentación indican que mutaciones en los péptidos o en los receptores de Hcrt/Ox reproducen parcialmente los signos de la narcolepsia humana. Sin embargo, hasta el momento, en el ser humano sólo se ha encontrado una mutación en el gen de la preproHcrt/preproOx que causa dicha enfermedad. El descubrimiento de los mecanismos patológicos que conducen a la pérdida de neuronas Hcrt/Ox en humanos constituirá en el futuro un avance crucial en la investigación de la narcolepsia. Esta información es fundamental tanto para la prevención como para el tratamiento de la enfermedad.

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MODULATION BY THE HYPOCRETINERGIC/OREXINERGIC NEUROTRANSMISSION SYSTEM IN SLEEP-WAKEFULNESS CYCLE STATES Summary. Introduction. The hypocretins/orexins are neuropeptides synthesized by a small neuronal cell group located in the posterior and lateral hypothalamus. These peptides have been considered modulators of the sleep-wakefulness cycle since their discovery in 1998; the hypocretinergic/orexinergic system is very active during wakefulness. In addition, the absence of either these peptides or their receptors is associated to narcolepsy-cataplexy, a disease in which the sleep-wakefulness cycle is completely disorganized. Development. Hypocretinergic/orexinergic neurons directly activate the cerebral cortex and neuronal cell groups of the reticular activating system containing noradrenaline, serotonin, dopamine, acetylcholine and histamine, through which they may also indirectly activate the cerebral cortex and enhance wakefulness; as well, these neurons inhibit REM sleep generation in the ventral pontine tegmentum. The decrease in the activity of hypocretinergic/orexinergic neurons during sleep inhibits the aminergic and cholinergic neurons of the reticular activating core, decreasing cortical activation and renewing REM sleep generation in the ventral pontine tegmentum. Conclusions. Hypocretins/orexins modulate wakefulness and EEG activation in part through their actions on reticular core neurons projecting to the cortex and suppress REM sleep generation through inhibition of ventral pontine tegmentum neurons within the ventral oral pontine tegmentum. The hypoactivity of this system supports the sleep cycle fragmentation and general disorganization appearing in narcolepsy, as well as momentary interruption of wakefulness by REM sleep episodes. [REV NEUROL 2007; 45: 482-90] Key words. Hypocretin. Hypothalamus. Narcolepsy. Orexin. REM. Sleep. Wakefulness.

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REV NEUROL 2007; 45 (8): 482-490