Influencia de la luz y los ritmos circadianos en tareas de vigilancia

Resumen

Tesis Doctoral: Influencia de la luz y los ritmos circadianos en tareas de vigilancia Autora: Beatriz Rodríguez Morilla Directores: Dr. Ángel Correa Torres (Universidad de Granada) Dr. Juan Antonio Madrid Pérez (Universidad de Murcia) Resumen: Los ritmos circadianos son las fluctuaciones exhibidas por variables fisiológicas y comportamentales en ciclos de aproximadamente 24 horas de duración. Son el resultado de la adaptación evolutiva al ciclo ambiental día-noche, promoviendo, en los humanos, el sueño durante la fase de oscuridad y las actividades propias de la vigilia durante la fase de luz. Sin embargo, la sociedad actual caracterizada por la oferta de servicios 24 horas al día, 7 días a la semana (sociedad 24/7), promueve la presencia de luz ambiental durante las 24 horas del día, el incremento en el uso de tecnologías, y una elevada incidencia de jet lag social, es decir, un desajuste de los ritmos entre el fin de semana y los días laborables (Roenneberg et al., 2003). Todo ello conlleva una alteración del sistema circadiano y del sueño (Goel et al., 2013). A su vez, la luz ejerce efectos promotores de la vigilia que pueden tener aplicaciones positivas, como incrementar la activación en momentos del día donde su nivel no es óptimo, con el fin de mejorar el rendimiento cognitivo. La vigilancia, es decir, la capacidad de mantener un estado óptimo de alerta para atender y responder al ambiente, es uno de los procesos cognitivos más susceptibles de deterioro a horas subóptimas del día. Por tanto, la conducción de vehículos, dada su alta implicación de la vigilancia durante periodos prolongados de tiempo, ha mostrado un mayor deterioro en las horas cercanas al valor mínimo de temperatura corporal central, según estudios epidemiológicos (revisados por Folkard en 1997) y de laboratorio (Kosmadopoulos et al., 2015). Correa et al. (2014) estudiaron la influencia de la hora del día sobre el rendimiento en conducción en relación con el cronotipo. El cronotipo se refiere a las preferencias en cuanto a horarios de sueño y realización de actividades, que se deben a diferencias internas en la fase circadiana (Adan et al., 2012). En dicho estudio, los participantes vespertinos, caracterizados por la preferencia de horarios de sueño retrasados y realización de actividades durante la tarde-noche, tuvieron una peor ejecución a su hora subóptima (8:00 h de la mañana) que a su hora óptima (20:00 h). Considerando el efecto activador de la luz, especialmente la de color azul, sobre el sistema nervioso (Cajochen et al., 2005), se ha estudiado su posible aplicación para mejorar el rendimiento cognitivo en situaciones subóptimas, como sucede con la conducción nocturna. Sin embargo, los resultados hasta la fecha son inconsistentes. Taillard et al. (2012) encontraron un efecto beneficioso de la luz enriquecida en azul sobre el rendimiento en conducción a lo largo de la noche. En cambio, Phipps-Nelson et al., (2009), encontraron un efecto activador al nivel fisiológico (supresión de ondas EEG lentas, delta y theta) que no se manifestó en mejoras de rendimiento en la tarea. La presente tesis doctoral aborda el estudio de los ritmos circadianos desde sus dos vertientes: su interrelación con el sueño nocturno, y sus efectos sobre el rendimiento en vigilancia y conducción durante la vigilia, con un énfasis especial en el papel de la luz para modular tales efectos. La primera parte de la tesis se dirigió a presentar una aproximación metodológica novedosa para el estudio del sueño a través de la evaluación de los ritmos circadianos, mediante el uso de dispositivos multisensor combinados con técnicas de minería de datos. La segunda parte centró su interés en el efecto de la luz artificial sobre el rendimiento en tareas de vigilancia y conducción simulada en dos momentos subóptimos del ciclo circadiano: al inicio de la noche, coincidiendo con el inicio en la secreción de melatonina nocturna, y durante la mañana temprano en participantes vespertinos. El Estudio 1 puso a prueba la validez de una técnica de Monitorización Circadiana Ambulatoria (Kronowise®, Cronolab, Universidad de Murcia), basada en el registro de los ritmos circadianos de temperatura corporal distal (piel de la muñeca), actividad motora, posición corporal, y exposición a luz ambiental, para discriminar entre sueño normal y patológico y, en este último caso, entre insomnio primario y síndrome de retraso de la fase de sueño (SRFS). Esto se llevó a cabo en una muestra de 242 pacientes afectados de insomnio primario (n = 184) o SRFS (n = 68) y de 19 sujetos control. Estas patologías de sueño fueron seleccionadas por dos motivos. En primer lugar, su elevada prevalencia: hasta un 30% de la población experimenta síntomas de insomnio, y los criterios para considerarlo trastorno se cumplen en un 5 – 7% de la población (Roth, 2007). Por su parte, como mínimo, un 16% de la población adolescente sufre SRFS (Lovato et al., 2013). En segundo lugar, por las evidencias de solapamiento entre los síntomas de ambas patologías (Gradisar & Crowley, 2013; Sivertsen et al., 2013; Richardson et al., 2015), lo que nos llevó a plantear la necesidad de establecer criterios objetivos para su diferenciación. En una primera fase, los datos obtenidos mediante monitorización circadiana ambulatoria se procesaron como se describe en Ortiz-Tudela et al., (2010), generando una variable integrada llamada TAP (derivada de Temperatura, Actividad y Posición) indicativa del nivel de activación general, que a su vez se empleó para estimar los periodos de sueño y su calidad (Ortiz-Tudela et al., 2014). Todas estas variables fueron sometidas a un análisis no paramétrico que arrojó diversos indicadores: a) calidad de los ritmos circadianos: estabilidad interdiaria, variabilidad intradiaria, amplitud relativa e índice de funcionamiento circadiano (CFI, Ortiz-Tudela et al., 2010); b) calidad del sueño: promedio de TAP durante las 5 horas consecutivas donde sus niveles fueron más bajos (L5); c) activación diurna: promedio de TAP durante las 10 horas consecutivas con niveles más altos (M10), y d) marcadores de fase: hora central de L5 para la fase de sueño y de M10 para la de vigilia. En la segunda fase, los parámetros resultantes del análisis no paramétrico fueron sometidos a un análisis de aprendizaje automático (Machine learning). Este análisis permitió, en primer lugar, seleccionar los parámetros (o atributos) con mayor potencia de discriminación entre clases. Para ello se utilizaron los criterios de Ganancia de la Información (basado en la reducción de entropía), ANOVA (maximización de las diferencias entre clases) y Chi cuadrado (maximización de la correlación entre las puntuaciones del atributo y la clase asignada). A partir de los atributos seleccionados: marcadores de fase (hora central de L5 y M10) de TAP, amplitud relativa de TAP y CFI del sueño estimado, los sujetos fueron clasificados mediante un árbol de decisión. Este modelo mostró una sensibilidad y especificidad superiores al 80% para cada una de las tres categorías (insomnio, SRFS y controles). Más aún, además de distinguir entre las tres categorías iniciales, el árbol de decisión permitió diferenciar entre insomnio de mantenimiento y de inicio, y entre este último y el SRFS, las dos patologías cuyos síntomas más comúnmente se solapan. Según nuestros resultados, el insomnio de inicio y el SRFS se diferenciaron del resto de clases por un retraso en la hora central del sueño debido a las dificultades de conciliación. En cambio, se diferenciaron entre sí porque el SRFS mostró también un retraso en el momento central de máxima activación diurna con respecto al insomnio de inicio. Esto es congruente con un perfil circadiano de tipo vespertino en el SRFS, mientras que el insomnio de inicio mostraría el aumento de somnolencia nocturna en un horario normal. De las otras clases resultantes, insomnio de mantenimiento y controles sanos se diferenciaron entre sí principalmente por la amplitud relativa del TAP. Ésta fue más baja en los insomnes, en consonancia con su fraccionamiento del sueño y su somnolencia diurna (que reducen el contraste entre los niveles de activación propios del sueño y los de la vigilia). Un tercer grupo de insomnio, que podríamos considerar leve, sólo se diferenció de los controles sanos en la robustez global del ritmo circadiano o CFI (mayor en los controles). Llama la atención el papel relevante de la luz en la discriminación de clases con atributos similares, como es el caso del SRFS, que se diferenció del resto de clases (incluida el insomnio de inicio) por el ritmo de exposición a luz ambiental, caracterizado por ausencia de luz durante las primeras horas de la mañana. Aparte de su utilidad en el ámbito de la clínica del sueño, la metodología utilizada en el Estudio 1 ha servido como referencia para la evaluación de los ritmos circadianos y el sueño de los participantes en nuestros siguientes estudios experimentales. En el Estudio 2 se investigó el efecto de distintas condiciones de luz sobre el nivel de activación y el rendimiento en una tarea de conducción simulada al inicio de la noche. Específicamente, se utilizaron dos fuentes de luz con diferente espectro: una luz de color blanco enriquecida en azul (pico máximo de distribución espectral = 440 nm) frente a una luz de color ámbar (pico máximo de distribución espectral = 595 nm), pero con similar iluminancia (469 lx y 410 lx, respectivamente), en comparación a una condición control de penumbra (< 1 lx). La franja horaria de la manipulación experimental (de 21:45 h a 22:45 h) se seleccionó en consonancia con el momento del inicio en la secreción de la melatonina (Bonmatí-Carrión et al., 2014). Los participantes de este estudio (n = 36) fueron de cronotipo intermedio, para evitar los efectos facilitadores o disruptores que los cronotipos vespertino y matutino, respectivamente, mostrarían en una tarea nocturna, y fueron asignados aleatoriamente a una de las tres condiciones experimentales descritas. La tarea de conducción, seleccionada por haber mostrado sensibilidad a los efectos adversos de una hora subóptima del día en un estudio previo (Correa et al., 2014), consistía en guiar el coche lo más centrado posible sobre una línea paralela al centro de la carretera, a velocidad constante (60 millas/hora, 97 km/hora). La variable dependiente fue el error de posición, corregido por la velocidad. Durante toda la tarea se midió el nivel de activación fisiológica a través del gradiente de temperatura distal-proximal (Kräuchi et al. 2004, 2005) y, tanto antes como después de la misma, se evaluó la somnolencia subjetiva (escala de Somnolencia Subjetiva Karolinska, KSS) y la vigilancia psicomotora (Psychomotor Vigilance Task, PVT). Este estudio se diseñó a partir de las siguientes asunciones: 1) el mantenimiento de la vigilancia es susceptible de deterioro en las circunstancias descritas debido al aumento de la somnolencia, y 2) las distintas condiciones de luz empleadas conllevarían un impacto diferencial en la secreción de melatonina y, por tanto, en la alerta y el rendimiento. Así pues, en la condición de penumbra esperábamos encontrar un aumento del error de posición a lo largo del tiempo en tarea, así como en la somnolencia subjetiva (KSS) y el tiempo de reacción a la PVT tras la conducción, acompañado de un aumento en el gradiente de temperatura distal-proximal, indicador de un decremento de activación (Kräuchi et al. 2004, 2005). La exposición a ambos tipos de luz debía producir una respuesta de activación, atenuando todos estos efectos en comparación con la penumbra, y dicha respuesta debería ser mayor en el caso de la luz blanca enriquecida en azul que en el caso de la luz ámbar. Los resultados mostraron un efecto activador de la luz blanca enriquecida en azul al nivel fisiológico, detectado través de un decremento en el gradiente de temperatura distal-proximal, en comparación con las otras dos condiciones de luz. Sin embargo, este efecto no redundó en una menor somnolencia subjetiva ni en una mejora en las tareas de vigilancia; por el contrario, el error de posición aumentó a lo largo de la tarea de conducción bajo luz blanca frente a lo observado en las otras dos situaciones. Este inesperado resultado fue interpretado como un posible efecto de hiperactivación, al no tratarse de una hora particularmente adversa para el cronotipo indefinido, que pudo perjudicar una tarea de precisión como es el mantenimiento de la posición del vehículo. Considerando los resultados del experimento anterior, en el Estudio 3 utilizamos un diseño que maximizase los efectos de la exposición a la luz. Para ello, recurrimos a cronotipos vespertinos (n = 17) evaluados a las 8:00 h de la mañana, ya que previamente estas condiciones habían sido sensibles al decremento de vigilancia en una tarea de características similares (Correa et al., 2014). Adicionalmente, en este estudio nos centramos el efecto de la luz blanca enriquecida en azul (469 lx), al ser la que mayores efectos había mostrado en el estudio previo, y la comparamos con una condición control de penumbra (< 1 lx). Estas dos condiciones se manipularon intra-sujeto para aumentar la potencia estadística al minimizar las diferencias inter-individuales. Otras mejoras metodológicas fueron la utilización de una tarea de conducción que incluía el tiempo de reacción como variable dependiente, más sensible a las fluctuaciones de vigilancia (Basner & Dinges 2011; Graw et al. 2004) y el empleo de análisis no paramétricos de permutaciones, independientes de la distribución de los datos y más adecuados para muestras pequeñas (Pesarin & Salmaso 2010). Este estudio mostró tres hallazgos principales: 1) replicamos resultados previos indicativos de decremento de vigilancia en participantes vespertinos por la mañana (Correa et al., 2014). Dicho decremento se manifestó en un aumento de la somnolencia subjetiva (KSS), del gradiente de temperatura distal-proximal, y del tiempo de reacción a lo largo de la tarea de conducción, así como en la PVT. 2) La exposición a luz blanca enriquecida en azul atenuó dicho decremento, tal como indicaron las temperaturas más bajas y los tiempos de reacción más rápidos en la conducción y la PVT. 3) Sin embargo, y en línea con nuestro estudio anterior, la luz blanca enriquecida en azul deterioró la precisión a la hora de mantener la posición del coche. En síntesis, esta tesis doctoral ha dado lugar a varias aportaciones. La primera parte proporciona una aproximación metodológica novedosa para la evaluación automática del sueño a través del estudio sistemático de los ritmos circadianos. Esto ha permitido obtener información relevante sobre las características de los ritmos circadianos en determinadas patologías de sueño, y ha puesto de manifiesto la relación entre el ritmo de exposición a luz ambiental y la patología de sueño de origen circadiano. A su vez, la validación de esta técnica tiene interesantes aplicaciones. En el ámbito clínico, facilita la discriminación entre dos patologías de sueño muy prevalentes y frecuentemente solapadas; en el ámbito de investigación, se plantea como un método válido tanto para la selección de muestras experimentales como simplemente para su evaluación. La segunda parte de la tesis, por un lado, apoya los efectos activadores de la luz enriquecida en azul a nivel fisiológico. Esto puede favorecer el rendimiento en medidas simples de vigilancia bajo circunstancias claramente desfavorables, como es el caso de los cronotipos vespertinos por la mañana temprano, pero no necesariamente en circunstancias menos extremas, como sucede en nuestro primer estudio. En cambio, no ocurre lo mismo en tareas de precisión como el mantenimiento de la posición del coche que, lejos de beneficiarse del efecto activador de la luz, puede verse perjudicado. Estos hallazgos animan a seguir investigando para delimitar mejor las posibles situaciones objetivo, susceptibles de obtener ventajas de los efectos activadores de la luz. Como conclusión general, nuestros resultados aportan nuevas evidencias sobre la utilidad de la luz para mejorar el mantenimiento de la alerta en determinadas condiciones de deterioro. Más aún, esta tesis doctoral aplica esta medida por primera vez en vespertinos por la mañana temprano: un perfil circadiano muy común durante la adolescencia y juventud, y a una hora en la que normalmente se requiere un buen rendimiento de este tipo de población, por estudios o por trabajo. A su vez, estos hallazgos invitan a la cautela ante el uso indiscriminado de la luz como contramedida bajo cualquier situación. En su lugar, se sugiere la conveniencia de encontrar un equilibrio entre el potencial activador de la luz y el requerido para nuestros fines. Esto tiene especial relevancia cuando se trata de situaciones en las que su uso, además, puede tener efectos secundarios indeseados como es la supresión de melatonina al inicio de la noche.