Il duplice controllo talamico di sonno e veglia

 

 

LORENZO L. BORGIA & ROBERTO COLONNA

 

 

 

NOTE E NOTIZIE - Anno XV – 16 giugno 2018.

Testi pubblicati sul sito www.brainmindlife.org della Società Nazionale di Neuroscienze “Brain, Mind & Life - Italia” (BM&L-Italia). Oltre a notizie o commenti relativi a fatti ed eventi rilevanti per la Società, la sezione “note e notizie” presenta settimanalmente lavori neuroscientifici selezionati fra quelli pubblicati o in corso di pubblicazione sulle maggiori riviste e il cui argomento è oggetto di studio dei soci componenti lo staff dei recensori della Commissione Scientifica della Società.

 

 

[Tipologia del testo: RECENSIONE]

 

Trascorriamo circa un terzo della nostra vita dormendo e, durante questa fase di riequilibrio sinaptico e re-setting di numerose funzioni, viviamo l’esperienza dei sogni, la cui natura di depositari di desideri nascosti, come voleva Platone, o inconsci, secondo Freud, è negata da coloro che, come Aristotele e i neurologi contemporanei di Freud, ritengono che siano solo effetti, conseguenze e rielaborazioni di esperienze ed attività della veglia, in una contrapposizione che dura da oltre duemila anni. Il sonno interessa tutte le funzioni dell’organismo e della mente, dalla regolazione dei livelli degli ormoni a quella del tono muscolare, dalla fisiologia respiratoria al contenuto noetico della nostra ideazione. Tali importanti caratteristiche dello stato di sonno hanno una corrispondenza nell’attività elettrica della corteccia cerebrale, rilevata dalla superficie esterna del cranio mediante l’elettroencefalogramma (EEG).

Durante la veglia, l’EEG mostra onde di voltaggio relativamente basso, alta frequenza e rapida attività, che riflettono lo stato elettrico di una corteccia cerebrale impegnata nell’elaborazione della percezione e della cognizione. L’attività oscillatoria sincronizzata lenta o è al minimo o si verifica temporaneamente in qualche piccolo gruppo di neuroni. Il rilassarsi o chiudere gli occhi può essere sufficiente per produrre attività α (9-13 cicli/sec.)[1], soprattutto rilevabile al di sopra della corteccia visiva, indicando un’attività ritmica relativamente sincronica nelle reti corticali sottostanti.

Sulla base dell’attività elettrica si distingue un sonno associato a rapidi movimenti oculari (REM) ed un sonno non-REM (NREM) nel quale si riconoscono quattro fasi o stadi. Nel corso di una notte si hanno 3-4 cicli di sonno o più, a seconda del numero totale di ore dormite, e ciascun ciclo si compone dei quattro stadi (1-4) di sonno NREM seguiti da una breve fase di sonno REM e poi dalla successione invertita (4-1) di sonno NREM.

Il ruolo del sistema reticolare attivatore, e ancor più dei nuclei reticolari del talamo nell’attivazione diffusa della corteccia cerebrale che si verifica al risveglio ed accompagna lo stato di veglia, è indagato fin dall’epoca della scoperta stessa della formazione reticolare troncoencefalica da parte di Giuseppe Moruzzi e Horace Magoun, e l’importanza del talamo ha guidato per decenni la ricerca in questo campo. In proposito, ricordiamo lo straordinario modello elettronico talamo-corticale per lo studio del sonno realizzato da Giulio Tononi – ex-allievo e collaboratore del Premio Nobel Gerald Edelman – con i suoi colleghi dell’Università del Wisconsin. Tuttavia, il contributo del talamo alla modulazione del sonno e ad un particolare stato funzionale (stato UP, v. dopo) dei neuroni mediatori, non è ancora precisamente definito.

Un nuovo studio di Thomas C. Gent e colleghi sembra aver risolto, almeno in parte, il problema. L’osservazione sperimentale evidenzia elementi importanti per la definizione di un profilo dei nuclei talamici dell’area centromediale quali regolatori dei due stati funzionali principali del cervello e dell’organismo in toto, ossia il sonno e la veglia.

L’osservazione dell’attività elettrica ha consentito di rilevare che la scarica tonica dei neuroni talamici centromediali innesca una rapida risposta di risveglio, mentre la loro attivazione esplosiva induce la propagazione di onde corticali lente che attraversano tutto il cervello e promuovono la ripresa del sonno.

(Gent C. G., et al. Thalamic dual control of sleep and wakefulness. Nature Neuroscience – Epub ahead of print doi: 10.1038/s41593-018-0164-7-1, 2018).

La provenienza degli autori è la seguente: Center for Experimental Neurology, Department of Neurology, Inselspital University Hospital Bern, University of Bern, Bern (Svizzera); Department of Biomedical Research (DBMR), Inselspital University Hospital Bern, Bern (Svizzera).

Prima di esporre in sintesi i contenuti del lavoro condotto da Gent e colleghi, riportiamo un’introduzione allo studio elettroencefalografico del sonno, tratto da un nostro recente articolo:

La natura dicotomica del sonno umano era stata già intuita nel 1961[2] e, poco dopo, chiaramente definita ad opera di Oswald[3] e Snyder[4]: un sonno caratterizzato dai rapidi movimenti dei globi oculari (REM, da rapid eye movements), noto già dagli anni Cinquanta, ed un sonno ad onde lente con fusi nel tracciato EEG, privo di questa caratterizzazione (NREM, da non-REM) ed associato a respirazione lenta e profonda. Le due ipotesi che hanno guidato la ricerca da quell’epoca ai giorni nostri possono così essere rese in sintesi: 1) esistono due tipi elettrofisiologici di sonno con funzioni presumibilmente diverse; 2) la fase REM del sonno umano non differisce in modo significativo da quella di altri mammiferi, pertanto il suo studio comparato può fornire dati interessanti per comprendere il fenomeno nella nostra specie[5].

Attualmente, per descrivere il sonno quantitativamente e per distinguerne le fasi, si adoperano costantemente tre tecniche di registrazione elettrofisiologica: l’EEG (elettroencefalogramma) per lo studio dell’attività elettrica cerebrale, l’EOG (elettro-oculogramma) per il rilievo dei movimenti oculari, e l’EMG (elettromiogramma) per il rilievo del tono muscolare. Tali tre misure sono nella routine pluridecennale perché facili da rilevare, affidabili e dotate di potere discriminativo.

Basandosi su queste misure, il sonno è suddiviso in cinque fasi o stadi: gli stadi da 1 a 4 appartengono tutti al tipo NREM, lo stadio 5 corrisponde al tipo REM. Lo stadio 1 costituisce la transizione dalla veglia al sonno; lo stadio 2 è la prima vera fase di sonno, contraddistinta da onde a fusi di 7-15 Hz e complessi-K, che riflettono oscillazioni sinaptiche sincronizzate nel talamo e nella corteccia cerebrale. Lo stadio 3 si riconosce per la comparsa di una significativa frazione di onde delta (0.5-4 Hz), che segnalano un’ulteriore riduzione di attività nei processi di risveglio nel cervello e una maggiore sincronizzazione talamica e corticale. Quando le onde delta superano il 50% del tempo dell’EEG il sonno è nello stadio 4, la fase più profonda.

Ogni volta che ci si addormenta, si procede abbastanza rapidamente dalla veglia alla quarta fase, generalmente entro i 30 minuti. Dopo aver trascorso all’incirca mezz’ora nello stadio 4, si procede rapidamente a ritroso attraverso le quattro fasi ma, invece di svegliarsi, si entra nella fase REM.

La fase caratterizzata da brevi movimenti di oscillazione dei bulbi oculari (REM), evidenti sotto le palpebre chiuse e perfettamente caratterizzati dalla registrazione EOG, fu scoperta nel 1953 da Eugene Aserinsky e Nathaniel Kleitman, che per la prima volta registrarono contemporaneamente EEG ed EOG in volontari adulti addormentati e rilevarono che, durante il sonno, 4 o 5 volte per notte si rilevava un incremento di attività, con onde di frequenza più elevata ed ampiezza ridotta, vicine a quelle della veglia ed associate ai caratteristici movimenti degli occhi. Da allora, si è sempre confermato che le persone risvegliate durante la fase REM, in percentuali che vanno dall’80% al 95%, riferiscono di stare sognando, e generalmente descrivono sogni vividi.

La fase REM è associata ad una quasi completa perdita del tono muscolare, dovuta alla prevalenza dell’azione inibitoria discendente sui motoneuroni spinali. I motoneuroni del tronco encefalico, che controllano i movimenti degli occhi nella fase REM, non sono inibiti. La temperatura corporea, in questa fase, raggiunge il livello più basso.

Il ciclo del sonno, dallo stadio 1 al sonno REM, si verifica più volte durante la notte, e, col passare delle ore, la profondità del sonno NREM si riduce mentre la durata della fase REM aumenta. Per effetto di questo schema funzionale e perché è necessario risvegliarsi per poter richiamare alla coscienza il contenuto delle esperienze oniriche, i sogni del mattino sono quelli più facilmente ricordati.

Negli adulti la fase REM occupa approssimativamente il 25% del tempo totale trascorso a dormire. A differenza di quanto si credeva in passato, i sogni si verificano sia nella fase REM sia nella fase NREM, con caratteristiche diverse. I sogni REM sono in genere di lunga durata, costituiscono un’esperienza sostanzialmente visiva, con frequenti contenuti affettivi e/o emotivi, e generalmente non presentano una connessione immediatamente rilevabile con esperienze della vita quotidiana di colui che ha sognato. I sogni NREM sono più brevi, meno visivi, con minore probabilità di contenuti affettivo-emotivi, più concettuali e in rapporto spesso evidente con contenuti ed esperienze attuali nella veglia. Secondo alcune stime, un’attività onirica simile al pensiero può occupare fino al 50% del sonno NREM.

Il sonno è regolato da un ritmo circadiano e da un ritmo ultradiano: il circadiano è basato sulla ciclica produzione di fattori di trascrizione nucleari; l’ultradiano è controllato dal tronco encefalico[6].

Riprendiamo ora lo specifico argomento dello studio qui recensito.

Le onde lente (SW, da slow wave), ossia quelle comprese in un intervallo compreso tra 0.5 e 4 Hz, nei mammiferi sono predominanti nell’elettroencefalogramma durante il sonno NREM. Tali SW riflettono la sincronizzazione di ampie popolazioni di cellule nervose corticali che alternano stati attivi, detti “UP”, a stati di quiescenza, detti “Down”, e si propagano all’interno della neocorteccia. Fino ad oggi il contributo dei neuroni del talamo agli stati corticali UP e alla modulazione del sonno non è stato chiarito. Thomas C. Gent e colleghi dimostrano, nel topo, che l’attivazione spontanea dei neuroni del talamo centromediale precede nella fase EEG gli stati corticali globali UP e le transizioni da NREM alla veglia.

Gli esperimenti di attivazione tonica optogenetica dei neuroni talamici centromediali hanno indotto la transizione dalla fase di sonno NREM alla veglia; mentre l’attivazione intensa e immediata ha riprodotto gli stati UP nella corteccia cingolata. Tale attivazione esplosiva negli esperimenti ha accresciuto la sincronia estesa all’intero cervello di SW, cioè di onde corticali lente, durante il sonno, attraverso un relay nel talamo anterodorsale.

Infine, i ricercatori hanno dimostrato che le cellule nervose del talamo centromediale e quelle di relay del talamo anterodorsale promuovono la ripresa del sonno.

Nell’insieme, questi risultati indicano che gli schemi di scarica tonica e/o esplosiva dei neuroni talamici centromediali possono modulare l’attività corticale di tutto il cervello mentre si dorme e forniscono il duplice controllo degli stati di veglia e sonno.

 

Gli autori della nota ringraziano la dottoressa Isabella Floriani per la correzione della bozza e invitano alla lettura delle recensioni di argomento connesso che appaiono nella sezione “NOTE E NOTIZIE” del sito (utilizzare il motore interno nella pagina “CERCA”).

 

Lorenzo L. Borgia & Roberto Colonna

BM&L-16 giugno 2018

www.brainmindlife.org

 

 

 

 

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[1] In passato, la frequenza standard di riferimento del ritmo alfa era di 8-12 cicli per secondo, un valore che oggi si ritiene essere un sub-alfa.

[2] Dement W., Eye Movements During Sleep, in Bender & Morris (eds), The Oculomotor System. Harper & Row, New York 1964.

[3] Oswald I., Sleep Mechanisms: Recent Advances. Proceedings of the Royal Society of Medicine 55: 910-912, 1962.

[4] Snyder F., The New Biology of Dreaming. Archives of General Psychiatry 8: 381-391, 1963.

[5] Tradizionalmente la fase REM è stata associata al sogno, e a lungo si è creduto che i sogni avessero luogo solo in fase REM.

[6] Note e Notizie 21-04-14 Architettura del sonno in un nuovo studio.