Los ritmos biológicos
y el aprendizaj e
Verónica S. Valentinuzzi
Centro de Investigación Científica y Transferencia, CRILAR-CONICET,
Anillaco, La Rioja, Argentina
vvalentinuzzi@crilar-conicet.com.ar
John Fontenele Arauj o
Departamento de Fisiología de la Universidad Federal de Río do Norte
(UFRN), Natal, Brasil
araujo@cb.ufrn.br
RESUMEN
La relación cronobiología-ciencias cognitivas evalúa cómo los ritmos y el
proceso de aprendizaje se afectan mutuamente. Nuestras capacidades cognitivas
expresan su propia ritmicidad que depende de características de la tarea, contexto
e individuo. Cada tipo de tarea es rítmica, muchas veces relacionada con el
ritmo de temperatura corporal. Las obligaciones sociales (escuela, trabajo,
etc.) imponen un horario diario que puede condicionar el sistema circadiano. El
conocimiento de la relación ritmos-aprendizaje permitirá aumentar la eficiencia
de nuestro propio aprendizaje, así como refinar nuestras rutinas diarias según
las necesidades del medio ambiente.
PALABRAS CLAVES
Ritmos biológicos, ritmos circadianos, reloj biológico, aprendizaje y
memoria, condicionamiento, cronobiología, ciencias cognitivas.
ABST RACT
The Chronobiology-Cognitive Sciences relationship reveals how biological
rhythms affect learning and, conversely, how learning processes can affect
rhythmicity. Cognitive processes express rhythmicity which depends on features
of the task, context and individual. Each type of task is rhythmic, and many
times intimately related with the body temperature rhythm. Our daily social
obligations (school, work, etc) may condition our circadian system. As we learn
about the rhythms-learning relationship we can increase efficiency in our own
learning processes and to fine tune our daily routines according to the demands
of our environment.
KEYWORDS
Ar t ícul o publ i cado en l a
Revi st a Ci enci a, Vol . 59,
No. 1, de Ene-Mar 2008,
y r epr oduci do con l a
aut orización de la Academia
Mexicana de Ciencias y de
los aut ores.
Biological rhythms, circadian rhythms, biological clock, learning and memory,
conditioning, chronobiology, cognitive sciences.
¿Cuál es el mejor horario para estudiar para la prueba de la próxima semana?
¿Debo levantarme temprano para estudiar, o es mejor hacerlo durante la tarde?
¿O debo permanecer despierto durante la noche? ¿En que horario voy a aprender
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más y mejor? ¿Será que mañana podré despertarme
a tiempo para no llegar tarde al trabajo? ¿Escucharé
el despertador? Éstas son algunas preguntas que
podrían ser respondidas relacionando dos grandes
áreas de estudio, por un lado la cronobiología y por
otra las ciencias cognitivas.
La cronobiología estudia la organización temporal
de los organismos vivos, la cual es revelada a través
de los diversos ritmos biológicos que se manifiestan
en prácticamente todas nuestras variables fisiológicas
y de conducta. Por ejemplo, el ritmo conductual
más obvio es el ritmo sueño-vigilia (figura 1). La
mayoría de nosotros dormimos durante la noche y
permanecemos despiertos y activos durante el día:
somos organismos diurnos.
los ejemplos dados tienen una duración de 24 horas:
por ellos se dice que son ritmos circadianos (del
latín circa: alrededor y diano: día). Esta ritmicidad
es controlada y generada por “relojes biológicos”:
los núcleos supraquiasmáticos, localizados en una
estructura cerebral llamada hipotálamo.
Fig. 2. Muchos son los rit mos de la vida; por ej emplo,
aquí most ramos la variación circadiana de la t emperat ura
corporal y niveles sanguíneos de t res hormonas (cort isol,
melat onina y hormona de crecimient o) a lo largo de dos
días consecut ivos.
Fig. 1. Rit mo de sueño-vigilia en un ser humano normal.
Si anot amos diariament e l as horas en que dormimos
(barras gruesas) por varios días es posibl e visual izar
clarament e est e robust o rit mo biológico. Horizont alment e
est án r epr esent adas l as hor as. Ver t i cal ment e est án
represent ados 12 días de regist ro. En est e ej emplo, est e
individuo se va a la cama regularment e a media noche y
se despiert a alrededor de las 6 de la mañana.
Acompañando este ritmo conductual se presentan
diversos ritmos fisiológicos (figura 2). Por ejemplo, el
nivel sanguíneo de cortisol (una hormona relacionada
con la actividad) es alto durante las primeras horas
de la mañana, y va disminuyendo gradualmente hasta
llegar a un punto mínimo durante la noche. El nivel
de melatonina (hormona relacionada al sueño) tiene
un patrón opuesto: bajo durante el día, alto durante la
fase de sueño. La temperatura corporal tiene un ritmo
similar al del cortisol. La hormona de crecimiento
permanece en valores mínimos durante la mayor
parte del día, pero tiene un pico durante las primeras
fases de sueño. Prácticamente todas las variables
fisiológicas manifiestan un ritmo biológico, que en
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Las ciencias cognitivas, por su parte, estudian
nuestras capacidades cognitivas, por ejemplo, la
capacidad de aprender y de recordar aquello que
aprendimos. Podemos definir “aprendizaje” como
un cambio en el comportamiento como resultado de
una experiencia previa.
Una forma de aprendizaje básica y muy estudiada
es el condicionamiento clásico o Pavloviano (llamado
así por el investigador ruso Iván Pavlov, quien lo
estudió por primera vez). Pavlov analizó cómo una
experiencia podía cambiar la respuesta de salivación
de perros de la siguiente forma: se sabe que la
presencia de comida (estímulo no condicionado)
produce naturalmente la respuesta de salivación
(respuesta no condicionada). Es “no condicionada”
porque no es necesaria una experiencia previa para
que la respuesta se presente. Es posible presentar
un “estímulo neutro”, o sea, que normalmente no
produce salivación en los perros, inmediatamente
antes de la comida (el estímulo no condicionado),
por ejemplo, el sonido de una campana. Este sonido
sería el “estímulo condicionante”, porque puede
“condicionar” la respuesta del animal.
El procedimiento consiste en presentar el sonido
de la campana (estímulo condicionante) junto
con la presentación de la comida (estímulo no
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condicionante). Después de varios apareamientos
de este estilo, el animal establece una asociación
entre el sonido y la comida, de forma que cuando se
presenta sólo el sonido, éste produce la respuesta de
salivación. En otras palabras, el animal aprende que
el sonido señala la llegada de la comida, y por tanto
responde salivando ante el sonido. Hubo un cambio
de su respuesta como resultado de una experiencia.
Fig. 3. Esquema del apareamient o ent re dos est ímulos
(sonido y aliment o) que event ualment e det ermina que
el animal pase a responder al sonido como si est uviese
respondiendo al aliment o.
Este tipo básico de aprendizaje ocurre constantemente, modulando o cambiando radicalmente
nuestros comportamientos y reacciones fisiológicas.
Y en general ocurre de forma totalmente inconsciente
(o sea, no nos damos cuenta que está ocurriendo).
También existen otras formas de aprendizaje,
mucho más complejas, que implican la activación de
diversas estructuras cerebrales y que son ampliamente
estudiadas en las ciencias cognitivas. Por ejemplo,
el hipocampo es una estructura cerebral responsable
de nuestra capacidad de recordar qué hicimos ayer,
qué comimos anoche en la cena, a dónde fuimos
durante nuestras últimas vacaciones, cómo estuvo
el casamiento de nuestra hermana, etcétera; todos
los eventos de nuestra vida.
Considerando que casi todas las variables
fisiológicas y conductuales presentan una ritmicidad
circadiana, parece lógico preguntarnos si también
existen ritmos en procesos de aprendizaje y memoria.
Existe toda un área de investigación que intenta
responder esta pregunta, estudiando el desempeño
en tareas de aprendizaje a lo largo de las diferentes
horas del día, tanto en humanos como en modelos
animales.
Creemos que, por ahora, la respuesta no ha podido
contestarse, debido a que el desempeño en pruebas
de aprendizaje depende de muchos factores, entre
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ellos la especie animal estudiada, las exigencias
cognitivas de la tarea, los estímulos utilizados, el tipo
de respuesta exigida, las condiciones experimentales
y las características individuales. En el ser humano
se ha constatado que el desempeño en aprendizaje
depende del ciclo sueño-vigilia (incluyendo la
calidad y duración del sueño), de patrones de
actividad física o intelectual, de hábitos y costumbres
como el patrón de alimentación, de patrones sociales,
condiciones ambientales en las que se realizan las
pruebas e inclusive, de la época del año o del día de
la semana. También se debe considerar el grado de
matutinidad o vespertinidad de las personas. Éstas
son características determinadas genéticamente, y
determinan cuál es el horario natural para despertar.
Las personas matutinas son las que tienen una
tendencia a irse a dormir temprano (por ejemplo,
entre 21:00 y 22:00 horas) y a despertarse temprano
(entre 5:00 y 6:00 horas). Otras personas son de
tipo vespertinas: tienen una fuerte tendencia a
permanecer despiertos hasta tarde (por ejemplo, 2:00
o 3:00 de la mañana) y consecuentemente duermen
hasta más tarde la mañana siguiente (10:00 a 11:00
de la mañana). Sin embargo, la mayor parte de la
población es de tipo intermedio: se ajusta bien a
cualquier horario. De esto podemos deducir que,
en general, una persona matutina va a estudiar más
eficientemente de mañana y una persona vespertina
tendrá un mejor rendimiento durante el final del
día. Aunque, como mencionamos, hay que tener en
cuenta que ésta no es la única fuente de variación
temporal en nuestra capacidad de aprender.
Un estudio clásico analizó el desempeño en tres
tipos de tareas a lo largo del día, y lo correlacionó
con el ritmo de la temperatura corporal y el estado
de alerta subjetiva (Folkard, 1990). Se observaron
marcados ritmos diurnos en la capacidad de corregir
eficientemente un texto, en el desempeño en una
tarea de memoria operacional (razonamiento verbal
y cuentas aritméticas mentales) y en una tarea que
incluye memoria a corto plazo (lectura de un párrafo
y respuesta inmediata a un cuestionario relacionado).
Estos tres tipos de desempeños manifestaban
patrones temporales diferentes entre si durante la
jornada activa de 14 horas (figura 4).
La capacidad de corregir eficientemente un texto
sigue paralelamente el ritmo de temperatura corporal:
manifestaba un mínimo al comienzo de la mañana y
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Fig. 4. Temperat ura en grados cent ígrados, t res t ipos
de desempeños cognit ivos, y est ado de al ert a aut oevaluado, en f unción de las horas del día act ivo (según
Folkard, 1990).
aumentaba durante el día, hasta llegar a un máximo
hacia el final de la tarde. Por su parte, la memoria
a corto plazo muestra una variación totalmente
opuesta al ritmo de temperatura: tiene un máximo
de mañana y disminuye durante el día. Por otro lado,
la velocidad en la memoria operacional aumentaba
durante la mañana y disminuía progresivamente
durante la tarde. Sorprendentemente, ninguna de
estas variables estaba correlacionada con el estado
de alerta subjetivo, que manifestaba un patrón
rítmico totalmente diferente a las tres variables
anteriores y se caracterizaba por tener la forma de
una U invertida. Este estudio sugirió que cada tipo
de tarea manifiesta su propio ritmo. Otros trabajos
que analizan las mismas variables en los mismos
horarios, pero utilizando el “protocolo de rutina
constante”, (Valdez y colaboradores, 2008) han
encontrado datos diferentes (ver figura 5).
El patrón de 24 horas de las variables de alerta
subjetiva y de número de cálculos por minuto
acompaña paralelamente al ciclo de temperatura
corporal. En la memoria a corto plazo, por su lado,
se observa un declive durante las primeras 10 horas,
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Fig. 5. Memoria a cort o plazo, cálculos complet ados,
alert a subj et iva y t emperat ura corporal en cent ígrados.
Valores medios de cinco individuos durant e una rut ina
const ant e. Los dat os de cada horario de colect a f ueron
normalizados con respect o a la hora habit ual en que cada
individuo se despert aba (al cual se le asignaba el horario
de ref erencia 8: 00h). (Según Johnson y colaboradores,
1992).
momento en que la temperatura está subiendo
gradualmente. Sin embargo, en el siguiente ciclo el
patrón temporal de memoria a corto plazo, al igual
que el patrón de estado de alerta y cálculos, sigue el
mismo patrón que el ciclo de temperatura corporal.
En conclusión, todas las tareas parecen seguir el
mismo ritmo que la temperatura corporal.
Existe un fenómeno en que la hora del día
puede afectar el desempeño cognitivo: es conocido
como “estampa temporal” (Holloway y Wansley,
1973). Este fenómeno se observó inicialmente
en ratas de laboratorio sometidas a una forma de
aprendizaje que se llama “evitación pasiva”. Esta
prueba consiste en colocar las ratas en una caja
experimental dividida en dos compartimientos.
Uno es abierto e iluminado, y el otro es cerrado y
oscuro. Las ratas, por ser animales nocturnos que
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normalmente viven en túneles y cuevas, tienen una
tendencia innata a preferir la parte oscura y protegida
de la caja. Al entrar la rata a la parte oscura de la
caja recibe un choque eléctrico, que provoca que
huya inmediatamente a la zona iluminada. Al día
siguiente, cuando se coloca nuevamente en la caja,
tendrá una tendencia a permanecer en la parte abierta.
Esto ocurre porque el animal aprende a relacionar
la parte oscura con la experiencia desagradable que
tuvo el día anterior.
La forma de cuantificar qué tanto recuerda la rata
la experiencia previa es medir la demora (latencia)
para entrar a la parte oscura de la caja. ¿Cómo afecta
la hora del día el desempeño en este tipo de tarea? La
respuesta está en la figura 6: se observó que cada 24
horas el desempeño es muy bueno; las ratas no entran
en la parte oscura de la caja, y por tanto la latencia
es elevada. Pero cuando hace la prueba a otras horas,
el desempeño es malo: las ratas siguen ingresando a
la zona oscura de la caja, como si no recordasen la
pésima experiencia del choque. En otras palabras,
sólo cuando coinciden los horarios de aprendizaje y
de evocación o recuerdo en la prueba se observa un
desempeño adecuado.
Este fenómeno, observado en modelos animales,
parece estar presente también en el ser humano. Es
conocido que se recuerda mejor una información
aprendida cuando el estado mental y el contexto son
semejantes. Una forma de explicar esto es volviendo
Fig. 6. Tiempo de lat encia en rat as para ent rar en la
part e oscura de la caj a experiment al durant e pruebas de
esquiva pasiva en f unción del int ervalo ent renamient oprueba. El ent renamient o ocurrió en el t iempo cero.
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a la figura 2. Imaginemos que aprendimos algo
durante la mañana, momento en que estamos en un
estado fisiológico en que hay un nivel alto de cortisol
y de temperatura, y un nivel bajo de melatonina y
hormona de crecimiento. Imaginemos, también, que
por algún motivo específico necesitamos recordar
la información durante la noche, en un momento en
que nuestro estado fisiológico es totalmente opuesto,
niveles bajos de cortisol y temperatura, niveles
altos de melatonina y hormona de crecimiento.
Parece obvio que es más fácil recordar cuando la
condición de nuestro cuerpo se parece a la condición
en que aprendimos. De alguna manera el contexto
de nuestro estado fisiológico ofrece claves para una
mejor evocación. Podríamos sugerir que una buena
estrategia de estudio sería mantener una rutina diaria
de estudios (por ejemplo, estudiar matemática de
mañana y lenguaje a la tarde), y que esta estrategia
pudiera facilitar el desempeño en cada materia, por
lo menos hasta que la información sea consolidada
totalmente.
Hasta ahora vimos que nuestros ritmos biológicos
pueden afectar nuestra capacidad cognitiva. Sin
embargo, la relación entre ritmos biológicos y
procesos de aprendizaje no termina ahí. Podemos
también modificar nuestros ritmos por procesos
de aprendizaje. Existe una extensa literatura
demostrando esto en modelos animales. En el ser
humano, a pesar de que no existen muchos datos
concretos, hay fuertes evidencias de que podemos
modular nuestros ritmos endógenos a través de
procesos de aprendizaje de tipo Pavloviano (el
condicionamiento clásico explicado en el inicio de
este texto).
Las rutinas diarias contribuyen al establecimiento
de nuestras rutinas circadianas. Muchas obligaciones
sociales comunes como la escuela, el trabajo y los
compromisos sociales en general, que imponen
un horario diario, influyen sobre nuestro sistema
circadiano enviando señales temporales posiblemente
a través de procesos de condicionamiento del mismo.
Por ejemplo, es conocido que muchas personas
pueden programarse para despertar a cierta hora,
de forma que con el tiempo logran despertarse
espontáneamente inclusive unos minutos antes de
que el despertador suene. De igual manera sabemos
que nuestro sistema digestivo puede programarse
para ir al baño a horas determinadas, o que podemos
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sentir hambre en anticipación a la hora en que
regularmente comemos.
En conclusión, los ritmos biológicos y los procesos
de aprendizaje están íntimamente relacionados, y
sin duda en la medida en que se conozca mejor su
relación, podremos aprovechar este conocimiento
para aumentar nuestra eficiencia para el aprendizaje,
así como para refinar nuestras rutinas diarias
según las necesidades exigidas por nuestro medio
ambiente.
ANEXO
El reloj biológico funciona como las estructuras
cerebrales relacionadas con la memoria
En las estructuras cerebrales relacionadas con
la memoria, como el hipocampo, ocurren una serie
de fenómenos especiales. Las neuronas de estas
estructuras presentan un fenómeno llamado de
potenciación a largo plazo: cuando una neurona es
estimulada continuamente con elevada frecuencia
por un corto intervalo de tiempo, comienza a
presentar una respuesta de mayor excitabilidad, y
esta respuesta es de larga duración.
Si observamos estas neuronas horas o días
después, continuaran presentando esta mayor
excitabilidad o potenciación. Muchos investigadores
consideran este fenómeno como la base celular
de la memoria. Lo interesante es que este proceso
relacionado con el aprendizaje ocurre también en las
neuronas del núcleo supraquiasmático, nuestro reloj
biológico principal. Otra característica en común
entre éste último y el hipocampo es la presencia de
proteínas relacionadas con la agregación celular (por
ejemplo, la llamada molécula de adhesión neuronal,
o NCAM), que en el cerebro adulto siempre ha
sido relacionada con el aprendizaje. También está
presente durante la fase de desarrollo, momento en
que la plasticidad del sistema nervioso es altísima.
Sorprendentemente, en el núcleo supraquiasmático
también existen estas sustancias, y hasta ahora
se sabe que tiene un papel importante para el
funcionamiento del reloj biológico, pues cuando
se inhibe experimentalmente esta molécula, las
respuestas rítmicas se alteran.
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Podemos entonces decir que las neuronas del
reloj biológico son semejantes a las neuronas de
las estructuras responsables por la memoria. En
otras palabras, el reloj biológico parece tener las
características celulares necesarias de una estructura
que aprende.
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