Il sonno è un bisogno fondamentale, proprio come il cibo o l’acqua. “Senza di esso moriresti”, ha detto Keith Hengen, assistente professore di biologia alla Washington University di St. Louis. Ma cosa realizza realmente il sonno? Perché dormiamo?Per anni, la cosa migliore che i ricercatori hanno potuto dire è che il sonno riduce la sonnolenza, difficilmente una spiegazione soddisfacente per un requisito fondamentale della vita.
Fondendo concetti provenienti dai campi della fisica e della biologia, Hengen e un team di ricercatori di Arts & Sciences hanno costruito una teoria che potrebbe spiegare sia perché dormiamo che la complessità del cervello . Come riportato in un nuovo studio, gli stuiosi hanno monitorato l’ attività cerebrale dei ratti dormienti per dimostrare che il cervello ha bisogno di ripristinare regolarmente il suo sistema operativo per raggiungere la “critilità”, uno stato che ottimizza il pensiero e l’elaborazione.
I risultati della ricerca sono stati pubblicati su Nature Neuroscience.
Perché dormiamo? Ecco la risposta della scienza
“Il cervello è come un computer biologico”, ha detto Hengen. “La memoria e l’esperienza durante la veglia modificano il codice poco a poco, allontanando lentamente il sistema più ampio da uno stato ideale. Lo scopo centrale del perché dormiamo è ripristinare uno stato computazionale ottimale.”
I coautori dell’articolo includono Ralf Wessel, professore di fisica; Yifan Xu, uno studente laureato in biologia che studia neuroscienze; e Aidan Schneider, uno studente laureato nel programma di biologia computazionale e dei sistemi, tutti in arti e scienze.
Wessel ha detto che i fisici pensano alla criticità da più di 30 anni, ma non avrebbero mai immaginato che il lavoro potesse influenzare il sonno. Nel mondo della fisica, la criticità descrive un sistema complesso che esiste nel punto critico tra ordine e caos. “A un estremo, tutto è completamente regolare. All’altro estremo, tutto è casuale”, ha detto Wessel.
La criticità massimizza la codifica e l’elaborazione delle informazioni, rendendola un candidato attraente per un principio generale della neurobiologia. In uno studio del 2019, Hengen e Wessel hanno stabilito che il cervello lavora attivamente per mantenere la criticità.
Nel nuovo studio sul perché dormiamo, il team fornisce la prima prova diretta che il sonno ripristina la potenza computazionale del cervello. Si tratta di un cambiamento radicale rispetto al presupposto di lunga data secondo cui il sonno deve in qualche modo ricostituire le sostanze chimiche misteriose e sconosciute esaurite durante le ore di veglia.
Dopo il loro articolo del 2019, Hengen e Wessel hanno teorizzato che imparare, pensare ed essere svegli deve allontanare il cervello dalle criticità e che il sonno è nella posizione perfetta per ripristinare il sistema. “Ci siamo resi conto che questa sarebbe stata una spiegazione davvero interessante e intuitiva al perché dormiamo e per lo scopo principale del sonno”, ha detto Hengen. “Il sonno è una soluzione a livello di sistema per un problema a livello di sistema.”
Per testare la loro teoria sul ruolo della criticità nel sonno e sul perché dormiamo, i ricercatori hanno monitorato il picco di molti neuroni nel cervello di giovani ratti mentre svolgevano le loro normali routine di sonno e veglia. “Puoi seguire queste piccole cascate di attività attraverso la rete neurale “, ha detto Hengen.
Ha detto che queste cascate, chiamate anche valanghe neurali, riflettono il modo in cui le informazioni fluiscono attraverso il cervello. “In condizioni critiche, possono verificarsi valanghe di tutte le dimensioni e durate. Lontano dalla criticità, il sistema diventa sbilanciato verso solo piccole valanghe o solo grandi valanghe. Questo è analogo a scrivere un libro ed essere in grado di usare solo parole brevi o lunghe.”
Come previsto, nei ratti appena risvegliati dal sonno ristoratore si sono verificate valanghe di tutte le dimensioni. Nel corso del risveglio, le cascate hanno iniziato a spostarsi verso dimensioni sempre più piccole. I ricercatori hanno scoperto che potevano prevedere quando i ratti stavano per addormentarsi o svegliarsi monitorando la distribuzione delle valanghe. Quando le dimensioni della cascata furono ridotte fino a un certo punto, il sonno non era lontano.
“I risultati suggeriscono che ogni momento di veglia spinge i circuiti cerebrali rilevanti lontano dalla criticità, e il sonno aiuta il cervello a resettarsi”, ha detto Hengen.
Quando i fisici svilupparono per la prima volta il concetto di criticità alla fine degli anni ’80, stavano osservando mucchi di sabbia su una griglia simile a una scacchiera, uno scenario apparentemente molto lontano dal cervello.
Ma quei mucchi di sabbia hanno fornito una visione importante sul perché dormiamo, ha detto Wessel. Se migliaia di chicchi vengono gettati sulla griglia seguendo semplici regole, le pile raggiungono rapidamente uno stato critico in cui iniziano ad accadere cose interessanti. Grandi e piccole valanghe possono iniziare senza preavviso e i mucchi in un quadrato iniziano a riversarsi negli altri. “L’intero sistema si organizza in qualcosa di estremamente complesso”, ha detto.
Wessel ha detto che le valanghe neurali che si verificano nel cervello sono molto simili alle valanghe di sabbia su una griglia. In ogni caso, le cascate sono il segno distintivo di un sistema che ha raggiunto il suo stato più complesso.
Secondo Hengen, ogni neurone è come un granello di sabbia individuale che segue regole molto elementari. I neuroni sono essenzialmente interruttori on/off che decidono se attivarsi o meno in base a input diretti. Se miliardi di neuroni riescono a raggiungere il punto critico – il punto debole tra troppo ordine e troppo caos – possono lavorare insieme per formare qualcosa di complesso e meraviglioso e dare un senso al perché dormiamo.
“La criticità massimizza un insieme di caratteristiche che sembrano molto desiderabili per un cervello”, ha detto Hengen.
Il nuovo studio sul perché dormiamo è stato uno lavoro multidisciplinare. Hengen, Xu e Schneider hanno progettato gli esperimenti e fornito i dati, mentre Wessel si è unito al team per implementare le equazioni matematiche necessarie per comprendere il sonno nel quadro della criticità. “È una bellissima collaborazione tra fisica e biologia”, ha detto Wessel.
Una ricerca sui ratti mostra che le risveglie corticali e i brevi risvegli durante il sonno mostrano dinamiche di non equilibrio e un’organizzazione complessa su scale temporali necessarie per le transizioni spontanee tra le fasi del sonno e per il mantenimento di un sonno sano. Prof. Plamen cap. Ivanov della Boston University e colleghi presentano questi risultati in PLOS Computational Biology .
Il perché dormiamo e la funzione del sonno sono tradizionalmente considerati un processo omeostatico che resiste alla deviazione dall’equilibrio. A questo proposito, brevi episodi di veglia sono visti come perturbazioni che portano alla frammentazione del sonno e ai correlati disturbi del sonno.
Pur affrontando gli aspetti del perché dormiamo e della regolazione del sonno legati al sonno e alla veglia consolidati e al ciclo sonno-veglia, il paradigma omeostatico non tiene conto delle dozzine di brusche transizioni tra le fasi del sonno e dei microstati all’interno delle fasi del sonno durante la notte.
Ivanov e colleghi hanno ipotizzato che, mentre il sonno è effettivamente omeostatico su scale temporali di ore e giorni, dinamiche di non equilibrio e criticità sono alla base della microarchitettura del sonno su scale temporali più brevi.
Per verificare questa ipotesi, i ricercatori hanno raccolto registrazioni elettroencefalografiche (EEG) dell’attività cerebrale per più giorni in ratti normali e in ratti con lesioni alla zona parafacciale, una regione del cervello che aiuta a regolare il sonno.
I ricercatori hanno analizzato le dinamiche esplosive dei modelli di attività cerebrale noti come onde theta e onde delta, che si osservano sia nei ratti addormentati che negli esseri umani e che indicano perché dormiamo.
I loro risultati empirici e i loro modelli indicano che i risvegli dal sonno sono una manifestazione di un meccanismo intrinseco di regolazione del sonno non equilibrato legato all’autorganizzazione degli insiemi neuronali. Questo meccanismo agisce su scale temporali di secondi e minuti e rimane in linea attraverso raffiche continue nei ritmi delle onde cerebrali.
Lo studio sul perché dormiamo suggerisce inoltre che il mantenimento di uno stato critico di non equilibrio è essenziale affinché la flessibilità del sistema di regolazione del sonno possa attivare spontaneamente transizioni multiple tra le diverse fasi del sonno e tra il sonno e la breve veglia durante tutto il periodo del sonno.
Tale stato critico è necessario anche per la complessa microarchitettura del sonno che è sempre più riconosciuta come caratteristica del sonno sano . Il comportamento critico osservato nel sonno traccia paralleli con altri sistemi di non equilibrio in condizioni critiche, come i terremoti.
“Paradossalmente, scopriamo che lo stato di ‘riposo’ di un sonno sano viene mantenuto attraverso esplosioni nell’attività del ritmo corticale che obbediscono a un’organizzazione temporale, statistica e leggi matematiche simili a quelle dei terremoti”, afferma Ivanov. “I nostri risultati servono come elementi costitutivi per comprendere meglio il sonno e potrebbero aiutare a migliorare l’individuazione e il trattamento dei disturbi del sonno”.