Bursty behavioral dynamics of activity and sleep

Resumen

Una distinguida característica de la vida humana y animal son las constantes alternancias entre periodos activos dedicados a diferentes comportamientos, y periodos de inactividad dedicados a descanso y recuperación. El patrón temporal de actividad e inactividad está lleno de información de los procesos que controlan y regulan las transiciones entre estados. Tradicionalmente se había considerado que estos patrones temporales seguirían una estadística ‘normal’ como tantos otros fenómenos naturales. Pero durante las dos últimas décadas se ha ido descubriendo que muchos comportamientos, tanto en humanos como en otros animales, siguen una dinámica temporal en ráfagas y ‘sin escala’. La dinámica rafagosa se caracterizada por tener un patrón temporal donde periodos de muchos eventos cortos y frecuentes vienen separados por periodos largos de poca o ninguna actividad. La dinámica rafagosa es más irregular que la dinámica aleatoria, y es por lo tanto, más difícil de predecir. El objetivo de esta tesis doctoral ha sido estudiar la dinámica rafagosa del comportamiento espontáneo de actividad y sueño. La temática principal ha sido caracterizar la dinámica rafagosa en animales ‘simples’ y genéticamente maleables, para establecer resultados de base sobre los que construir y explorar el control neuronal subyacente de la dinámica rafagosa. La tesis consiste de tres partes principales, en las cuales hemos estudiado la dinámica de la actividad en la mosca de la fruta Drosophila melanogaster, la dinámica de sueño-vigilia en el pez cebra Danio rerio y en humanos, y estudiado las propiedades neuronales de la corriente “marcapasos” Ih que controla actividad espontánea rítmica y afecta a la rafagosidad. En Drosophila caracterizamos la dinámica locomotora y encontramos que es rafagosa. Después probamos experimentalmente una hipótesis sobre el origen de ráfagas, y descubrimos que circuitos de toma de decisiones afectan a la dinámica del comportamiento en ráfagas. Posteriormente, caracterizamos la dinámica de sueño y vigilia en el pez cebra a diferentes edades a lo largo de su vida y lo comparamos con el desarrollo de la dinámica de sueño-vigilia en humanos a diferentes edades. Encontramos que la fragmentación de la vigilia disminuye, a medida que los episodios de vigilia y vigilia nocturna total aumentan con la edad tanto en el pez cebra como en humanos. La dinámica de vigilia mostró ser altamente rafagosa, mientras que la dinámica de sueño tenía una estructura temporal más compleja de lo que ha sido predominantemente descrito. El desarrollo de la dinámica de sueño-vigilia es muy similar en las dos especies; lo que contribuye a establecer al pez cebra como un organismo modelo valioso para futuros estudios de la dinámica y regulación del sueño y de la vigilia. Finalmente, estudiamos la corriente Ih en Drosophila dado que la mutación nula del DmIh da lugar a alteraciones en el patrón de sueño-vigilia en las moscas adultas. La mutación también produce un fenotipo locomotor y de toma de decisiones en larvas, las cuales tienen un sistema nervioso más simple y una unión neuromuscular altamente caracterizada e idónea para la electrofisiología. Hallamos que el fenotipo locomotor larvario se debía a la motoneurona, que tenía una excitabilidad disminuida y una respuesta reducida a estímulos dinámicos. Los animales modelo con herramientas genéticas sofisticadas como la mosca de la fruta y el pez cebra han, por lo tanto, sido mostrados como animales valiosos para caracterizar y explorar el control y la regulación del comportamiento en ráfagas.