Martín R. Ralph

Mientras trabajaba como estudiante de posgrado bajo la tutela del Dr. Michael Menaker , uno de los pioneros de la biología circadiana moderna, descubrió un hámster dorado con un periodo notablemente inferior a 24 horas. Los ritmos de actividad motora de los hámsteres dorados suelen seguir periodos de 24 horas, con poca variación. ^{[ 2 ]} Tras criar estos hámsteres mutantes, observó que los mutantes homocigotos presentaban un periodo de 20 horas de ritmos de actividad diaria, mientras que los mutantes heterocigotos tenían un periodo de 22 horas. ^{[ 3 ]} En biología circadiana, tau (τ) denota la duración de un ritmo en un organismo, por lo que un ritmo circadiano tiene un valor de tau cercano a 24 horas. Dadas las diferencias en el periodo, decidió denominar a esta cepa mutante "hámster tau". Este hámster fue la primera evidencia de una base genética para los ritmos circadianos en mamíferos, y se ha utilizado como modelo para estudiar más a fondo la base genética de la ritmicidad circadiana y la ritmicidad en proteínas y comportamientos específicos además de la locomoción, como el tamaño corporal ^{[ 4 ]} y la expresión de melatonina. ^{[ 5 ]}

Más tarde trabajó con un equipo de biólogos circadianos liderado por el Dr. Joseph Takahashi para identificar la ubicación de la mutación responsable del período de 20 horas del hámster mutante tau. Utilizaron el análisis de diferencias representacionales dirigidas genéticamente (GDRDA), un ensayo utilizado para conectar mutaciones genéticas con un rasgo específico, ^{[ 6 ]} para discernir las diferencias genéticas entre los hámsteres mutantes y de tipo silvestre. Localizaron el área de diferencias genéticas en el cromosoma 22 en la región que codifica el gen de la caseína quinasa 1 épsilon (CK1ε). ^{[ 7 ]} Demostraron que CK1ε interactúa con el gen PERIOD , que ha sido establecido como un gen circadiano de mamíferos, ^{[ 8 ]} y esta actividad estaba disminuida en la versión mutante de CK1ε, presentando una explicación para el comportamiento del hámster mutante tau.

Uno de los primeros usos del hámster dorado mutante (tau) fue la identificación del núcleo supraquiasmático (NSQ) como un importante marcapasos de los ritmos locomotores diarios. Cuando se eliminó el NSQ en hámsteres de tipo salvaje, perdieron la actividad locomotora rítmica. Luego trasplantaron un nuevo NSQ de un hámster donante y observaron la restauración de la ritmicidad en el hámster receptor con el mismo período que el hámster donante. Si el donante era de tipo salvaje, observaron un período de 24 horas, y si el donante era homocigoto mutante, observaron un período de 20 horas. Este experimento demostró tanto la necesidad como la suficiencia del NSQ para generar ritmos diarios de sueño-vigilia en estos hámsteres. ^{[ 9 ]} Los investigadores circadianos continuaron estudiando el NSQ, y esta estructura ahora se reconoce como el principal marcapasos circadiano en mamíferos.

Algunos de los trabajos más citados del Dr. Ralph incluyen sus contribuciones que demostraron el enmascaramiento por luz. El enmascaramiento se refiere a la capacidad de señales externas, como la luz, para influir en el comportamiento animal al integrarse en el ritmo circadiano. A medida que el animal conserva su reloj biológico innato, se incorporan otras señales exógenas que le permiten responder de inmediato a los cambios ambientales. Por ejemplo, un pulso de luz durante la fase de descanso de un animal diurno podría provocar un cambio en el período y la ritmicidad, incluso durante un tiempo después del breve estímulo. ^{[ 10 ]} En su trabajo realizado con el Dr. Gary Pickard en el laboratorio de Menaker, el Dr. Ralph estudió ratones a los que se les había extirpado quirúrgicamente la lámina intergeniculada (IGL), una vía retiniana importante para la percepción de la luz. ^{[ 11 ]}

En general, encontraron que los ratones con lesiones presentaban mayores retrasos de fase y eran menos sensibles a los cambios de fase debidos a pulsos de luz. Además, el período de actividad de los ratones no se prolongó con condiciones de luz constante. Estos datos sugirieron que el IGL probablemente desempeñaba un papel importante en la retroalimentación de la información lumínica al núcleo supraquiasmático. Experimentos posteriores realizados con el hámster dorado complementaron estos resultados y sugirieron que la respuesta circadiana depende de la "situación ambiental" en la que se administra la luz. ^{[ 12 ]}

Mientras trabajaba en el laboratorio de Menaker, Ralph también investigó la regulación del GABA sobre las respuestas circadianas a la luz. Descubrieron que el antagonista del GABA, la bicuculina, bloquea los retrasos de fase y la benzodiazepina diazepam (un potenciador de la actividad del GABA) bloquea los adelantos de fase en hámsteres dorados expuestos a la luz. El bloqueo de los retrasos de fase inducido por la bicuculina disminuyó con activadores de la actividad del GABA, mientras que el bloqueo de los adelantos de fase inducido por el diazepam pudo disminuirse con antagonistas competitivos y no competitivos del GABA. Estos hallazgos sugieren que el complejo receptor-ionóforo GABA-benzodiazepina es probablemente el sitio de acción de las alteraciones circadianas de estos fármacos. Curiosamente, descubrieron que otros agonistas y antagonistas del GABA no producían el mismo bloqueo de los adelantos y retrasos de fase que el diazepam y la bicuculina, respectivamente, lo que sugiere un mecanismo alternativo distinto a los cambios en la conductancia del cloruro. ^{[ 13 ]}

Otra área de investigación del Dr. Ralph se centra en el efecto del ritmo circadiano sobre el aprendizaje. Trabajando con ratones, el Dr. Ralph y otros investigadores descubrieron que el momento de un evento importante está codificado por un oscilador condicionable que se activa mediante un cambio agudo en la transmisión de dopamina en el momento del evento, lo que permite a los animales aprender y recordar la hora del día en que ocurren condiciones significativas y anticipar su recurrencia en intervalos de 24 horas. El Dr. Ralph también ha descubierto que la modulación circadiana de la evitación condicionada de lugares en hámsteres no requiere el SCN (núcleo supraquiasmático), lo que sugiere que la memoria de la hora del día podría requerir un oscilador circadiano independiente del SCN. ^{[ 14 ] [ 15 ]}

Otra área de investigación de Martin se centra en el impacto de la alteración del ritmo circadiano en la longevidad. Si bien el papel funcional de los ritmos circadianos estaba bien establecido, se sabía poco sobre la adaptabilidad de las oscilaciones diarias en la fisiología y el comportamiento de los organismos. Descubrió que el hámster mutante tau tenía una esperanza de vida significativamente reducida en comparación con los hámsteres de tipo silvestre y los mutantes tau homocigotos. El trasplante de injertos cerebrales fetales con SCN revirtió la disminución de la ritmicidad conductual asociada naturalmente con la edad y extendió la longevidad en un 20 % en hámsteres adultos. De hecho, 11 de los hámsteres que recibieron injertos de SCN vivieron más que el 50 % de todos los controles, y el injerto de otros tipos de tejido cerebral resultó en una esperanza de vida similar a la de los controles. Estos hallazgos sugieren que la velocidad del reloj biológico disminuye con la edad y que la disminución de los ritmos conductuales (medida como tiempo de carrera) es altamente predictiva de la esperanza de vida en pocas semanas. ^{[ 16 ]}

El estudio de trasplante de SCN de Ralph no solo mostró el papel del SCN, sino también la capacidad de un trasplante neural para restaurar la función perdida. Este mismo procedimiento se está explorando como tratamiento para enfermedades neurodegenerativas. Un estudio realizado en 2020 exploró si el trasplante de tejido funcional de células madre pluripotentes inducidas podría restaurar la función en un paciente que sufría de la enfermedad de Parkinson. Después de confirmar que el injerto sobrevivió con éxito, encontraron que en el transcurso de dos años los síntomas del paciente mejoraron o se mantuvieron constantes. Cabe mencionar que esto solo se realizó en un paciente. ^{[ 17 ]} Un metaanálisis reciente (2022) de estudios de trasplante neural mostró que reemplazar las células productoras de dopamina con equivalentes derivados de células madre no solo es seguro para los pacientes, sino que también puede mejorar la función motora y la capacidad para las actividades de la vida diaria. ^{[ 18 ]} Otro estudio similar al trabajo del Dr. Ralph incluye un trabajo realizado en 2014 que mostró que el trasplante de interneuronas condujo a la restauración de la memoria y la función cognitiva en un modelo de ratón de la enfermedad de Alzheimer. En particular, el trasplante de interneuronas inhibitorias arrojó luz sobre el papel que desempeña la inhibición en la generación de la función normal a través de la interacción con las neuronas excitatorias. ^{[ 19 ]}

Ralph continuó su interés en la investigación circadiana en la Universidad de Toronto, específicamente en modelos de mamíferos pequeños como ratones y hámsteres. Su laboratorio investiga el comportamiento de las proteínas que regulan y exhiben ritmos circadianos y cómo tanto los zeitgebers como las mutaciones proteicas afectan su expresión y el comportamiento animal. Ha estudiado estos temas principalmente en los campos de la neurociencia y la psicología. ^{[ 20 ]} Más recientemente, su laboratorio estudió cómo se modulan las proteínas circadianas para tareas de memoria específicas, independientemente del reloj circadiano general. Observaron que la memoria temporal implícita, una memoria inconsciente de un momento específico que se puede anticipar y durante el cual ocurre repetidamente un evento significativo, modula la expresión del ARNm de PER2 solo en el cuerpo estriado del cerebro y sin afectar el reloj circadiano general. Esta investigación proporciona evidencia para comenzar a responder la pregunta de dónde se localiza anatómicamente la memoria temporal en el cerebro, lo cual actualmente se desconoce. ^{[ 21 ]}