Un esame del sangue in grado di rilevare con precisione quando qualcuno è stato privato del sonno per 24 ore è stato sviluppato da esperti della Monash University, in Australia, e dell’Università di Birmingham, nel Regno Unito.
Lo studio è stato pubblicato su Science Advances.
Privazione del sonno: ecco cosa dice la nuova scoperta
Questo livello di privazione del sonno aumenta il rischio di lesioni gravi o mortali in situazioni critiche per la sicurezza.
Il biomarcatore utilizzava una combinazione di marcatori presenti nel sangue di volontari sani. Insieme, questi marcatori hanno previsto con precisione quando i volontari dello studio erano rimasti svegli per più di 24 ore in condizioni di laboratorio controllate.
Il biomarcatore ha rilevato se gli individui erano stati svegli per 24 ore con una probabilità del 99,2% di avere ragione, rispetto al proprio campione ben riposato. Quando un singolo campione è stato considerato senza il confronto a riposo (simile a un esame del sangue diagnostico ), è sceso all’89,1%, un valore ancora molto elevato.
Considerando che circa il 20% degli incidenti stradali in tutto il mondo sono causati dalla privazione del sonno, i ricercatori sperano che la scoperta possa fornire informazioni su test futuri per identificare in modo rapido e semplice i conducenti privati del sonno.
Il biomarcatore potrebbe essere sviluppato anche per altre situazioni in cui la privazione del sonno può portare a conseguenze catastrofiche, come nei luoghi di lavoro critici per la sicurezza.
La professoressa Clare Anderson, autrice senior, ha guidato la ricerca mentre lavorava presso la Monash University School of Psychological Sciences e il Turner Institute for Brain and Mental Health. Ora è professoressa di scienza del sonno e circadiana presso l’Università di Birmingham nel Regno Unito.
“Questa è una scoperta davvero entusiasmante per gli scienziati del sonno e potrebbe trasformare la futura gestione della salute e della sicurezza in relazione al sonno insufficiente”, ha affermato il professor Anderson. “Sebbene sia necessario ulteriore lavoro, questo è un primo passo promettente.
“Ci sono prove evidenti che meno di cinque ore di sonno sono associate a una guida non sicura, ma guidare dopo 24 ore di veglia, che è ciò che abbiamo rilevato qui, sarebbe almeno paragonabile a più del doppio del limite legale australiano per quanto riguarda le prestazioni dell’alcol. ”
Il test potrebbe essere ideale anche per futuri usi forensi, ma è necessaria un’ulteriore convalida.
La prima autrice, la Dott.ssa Katy Jeppe, della Monash Proteomics and Metabolomics Platform, precedentemente della School of Psychological Sciences, ha affermato che è difficile dire quanto presto il test potrebbe essere sviluppato per l’uso post-incidente.
“Il prossimo passo sarebbe quello di testarlo in un ambiente meno controllato e magari in condizioni forensi, in particolare se dovesse essere utilizzato come prova di incidenti in cui i conducenti si addormentano”, ha detto il dottor Jeppe.
“Dato che si tratta di sangue, il test è più limitato in un contesto stradale, ma il lavoro futuro potrebbe esaminare se i nostri metaboliti, e quindi il biomarcatore, sono evidenti nella saliva o nel respiro.”
Questo biomarcatore di privazione del sonno si basa su 24 ore o più di veglia, ma può rilevare fino a 18 ore di veglia. Si potrebbe sviluppare un biomarcatore per il sonno limitato durante la notte precedente, ma sono necessarie ulteriori ricerche per combinare il tempo trascorso dal sonno con la quantità di sonno nelle previsioni.
“Sarebbe necessario molto ulteriore lavoro se le leggi cambiassero e venisse introdotto un test sulla privazione del sonno sulla strada o nei luoghi di lavoro”, ha affermato il dottor Jeppe.
“Ciò includerebbe un’ulteriore convalida dei biomarcatori, nonché la definizione di livelli di sonno sicuri per prevenire e recuperare dalla menomazione, per non parlare dell’ampio processo legale.”
” Si potrebbe sviluppare un biomarcatore per il sonno limitato durante la notte precedente, e altri hanno fatto progressi in questo senso ( Depner et al .).”
La privazione del sonno può avere conseguenze fatali per altre occupazioni critiche per la sicurezza. Si ritiene che le principali catastrofi, tra cui la fusione del reattore nucleare di Chernobyl e il disastro dello Space Shuttle Challenger*, siano causate, in parte, da errori umani associati alla stanchezza.
“Test oggettivi che identifichino gli individui che rappresentano un rischio per se stessi o per gli altri sono urgentemente necessari in situazioni in cui il costo di un errore è fatale”, ha affermato il professor Anderson.
“I test sull’alcol hanno rappresentato un punto di svolta per la riduzione degli incidenti stradali e dei relativi feriti gravi e mortali, ed è possibile che si possa ottenere lo stesso con la fatica. Ma è ancora necessario molto lavoro per raggiungere questo obiettivo.”
Esame del sangue per la guida sonnolenta
Un algoritmo di apprendimento automatico ha identificato un sottoinsieme di 68 geni e con una precisione del 92% è stato in grado di rilevare se un campione proveniva da un individuo privato del sonno o ben riposato.
Questa scoperta rivoluzionaria apre la strada a un test futuro che sarà in grado di valutare se un conducente è stato privato del sonno.
Precedenti ricerche in questo settore della AAA Foundation for Traffic Safety hanno dimostrato che i conducenti che ricevono solo una o due ore in meno dell’indennità giornaliera raccomandata in un periodo di 24 ore quasi raddoppiano il rischio di un incidente automobilistico.
La Dott.ssa Emma Laing, docente di Bioinformatica presso l’Università del Surrey, ha dichiarato: “Sappiamo tutti che un sonno insufficiente rappresenta un rischio significativo per la nostra salute fisica e mentale, soprattutto per un periodo di tempo.
È difficile tuttavia valutare in modo indipendente quanto sonno ha dormito una persona, rendendo difficile per la polizia sapere se gli autisti sono idonei a guidare, o per i datori di lavoro sapere se il personale è idoneo al lavoro.”
Simon Archer, professore di Biologia Molecolare del Sonno presso l’Università del Surrey, ha dichiarato: “Identificare questi biomarcatori è il primo passo per sviluppare un test in grado di calcolare con precisione quanto sonno ha avuto un individuo.
L’esistenza stessa di tali biomarcatori nel sangue dopo solo un periodo di veglia di 24 ore dimostra l’impatto fisiologico che la mancanza di sonno può avere sul nostro corpo.”
Il professor Derk-Jan Dijk, direttore del Surrey Sleep Research Center presso l’Università del Surrey, ha dichiarato: “Questo è un test per la perdita acuta totale di sonno; il passo successivo è identificare i biomarcatori per il sonno insufficiente cronico, che sappiamo essere associato a effetti avversi risultati sanitari.”
Le persone private del sonno hanno maggiori probabilità di avere incidenti stradali
Gli esperti raccomandano che gli adulti dovrebbero dormire dalle sette alle nove ore a notte, ma i sondaggi governativi indicano che un adulto americano su cinque dorme meno di sette ore per notte, e uno su tre riferisce di dormire solitamente meno di sette ore.
Si stima che circa il 7% di tutti gli incidenti automobilistici negli Stati Uniti e il 16% degli incidenti mortali coinvolgano la sonnolenza del conducente.
Sebbene i pericoli legati alla guida in stato di sonnolenza fossero già ben noti, questo è il primo studio sottoposto a revisione paritaria a quantificare la relazione tra quanto ha dormito un conducente e il rischio di essere responsabile di un incidente.
Per questo nuovo studio, i ricercatori hanno analizzato i dati di un precedente studio del Dipartimento dei trasporti degli Stati Uniti, che prevedeva indagini approfondite su un campione di 5.470 incidenti, comprese le interviste agli autisti coinvolti.
I ricercatori hanno scoperto che i conducenti che riferivano di dormire meno di quattro ore avevano 15,1 volte più probabilità di essere responsabili di incidenti automobilistici , rispetto ai conducenti che dormivano dalle sette alle nove ore raccomandate nel periodo di 24 ore precedenti, paragonabile a quello del Dipartimento di Polizia degli Stati Uniti.
Stime dei trasporti del rischio di incidente di un conducente con una concentrazione di alcol nel sangue pari a circa 1,5 volte il limite legale.
I ricercatori coinvolti nello studio hanno anche scoperto che i conducenti che hanno riferito di aver dormito sei, cinque e quattro ore nelle ultime 24 ore avevano rispettivamente 1,3, 1,9 e 2,9 volte più probabilità di essere responsabili di un incidente, rispetto a un conducente che ha dormito per sette ore. alle nove ore.
I conducenti che hanno riferito meno di quattro ore di sonno avevano un rischio particolarmente elevato di incidenti con un solo veicolo, che hanno maggiori probabilità di provocare lesioni o morte.
Sono risultati maggiormente a rischio anche i conducenti che avevano modificato il loro sonno o il loro programma di lavoro nell’ultima settimana e i conducenti che avevano guidato per 3 ore o più senza interruzioni.
“Essere svegli non è la stessa cosa che essere vigili. Addormentarsi non è l’unico rischio”, ha detto l’autore dello studio Brian Tefft.
“Anche se riescono a rimanere svegli, i guidatori privati del sonno corrono ancora un rischio maggiore di commettere errori, come non notare qualcosa di importante o valutare erroneamente una lacuna nel traffico, che può avere conseguenze tragiche”, ha aggiunto.
Di quanto sonno abbiamo veramente bisogno?
La tua salute può davvero risentirne se riduci costantemente il tuo sonno. Le malattie cardiache, il diabete e l’obesità, nonché il rischio di incidenti come gli incidenti automobilistici, sono in cima alla lista.
Più che l’imbarazzo di addormentarsi durante una riunione importante, la privazione del sonno può provocare un deterioramento cognitivo: il tuo giudizio semplicemente non è così acuto come dovrebbe essere.
Perdere il sonno necessario porta a livelli più elevati di ormoni dello stress e di ormoni che regolano la fame. Ciò può portare alla possibilità di mangiare troppo e ingrassare. Il sonno scarso è stato anche associato ad aumenti dei marcatori infiammatori spesso osservati nelle malattie autoimmuni.
Oltre un terzo degli adulti americani afferma di dormire meno di 7 ore a notte, il punto in cui possono iniziare i problemi di salute. Peggio ancora, il numero di persone che ricevono meno di 6 ore è in aumento. Molti pensano che finché possono ancora funzionare, devono dormire a sufficienza.
Allora qual è la giusta quantità di sonno notturno?
Ognuno ha le sue esigenze specifiche, ma in media 7-8 ore sono associate al minor rischio di malattie cardiache . Alcune persone potrebbero aver bisogno di 9 ore. Ma come Riccioli d’oro, vuoi ottenere la giusta quantità, né troppo poco né troppo. Alcuni studi hanno trovato un’associazione tra più di 8 ore di sonno e l’obesità.
Il sonno prepara le sinapsi per l’apprendimento
le sinapsi nell’ippocampo sono più grandi e più forti dopo la privazione del sonno. Nel complesso, questo studio supporta l’idea che il sonno può indebolire universalmente le sinapsi che vengono rafforzate dall’apprendimento, consentendo un nuovo apprendimento dopo il risveglio.
Si ritiene che il sonno ricalibri la forza sinaptica dopo una giornata di apprendimento, consentendo il nuovo apprendimento il giorno successivo.
Chiara Cirelli e colleghi dell’Università del Wisconsin-Madison hanno esaminato come le sinapsi nell’ippocampo, una struttura coinvolta nell’apprendimento, siano cambiate in seguito al sonno e alla privazione del sonno nei topi.
Coerentemente con studi precedenti sulla corteccia, i ricercatori hanno osservato che le sinapsi erano più grandi, e quindi più forti, dopo che i topi erano rimasti svegli per 6-7 ore rispetto a quando erano rimasti addormentati per lo stesso periodo di tempo.
Inoltre, i ricercatori hanno scoperto che le sinapsi erano più forti quando i topi erano costretti a rimanere svegli e a interagire con nuovi stimoli, rispetto ai topi che rimanevano svegli da soli.
Ciò è coerente con il ruolo dell’ippocampo nell’apprendimento e suggerisce che i cambiamenti sinaptici avvengono quando avviene l’apprendimento, non semplicemente dallo stato di veglia.
Una finestra sul ruolo del sonno nella memoria
Il sonno fornisce un supporto essenziale per l’apprendimento e la memoria, ma gli scienziati non comprendono appieno come funziona questo processo a livello molecolare. Cosa succede alle sinapsi, le connessioni tra i neuroni che ci aiutano a ricordare ciò che abbiamo imparato da svegli?
I neuroscienziati della Johns Hopkins credono di avere una risposta parziale. Sperimentando con topi di laboratorio , hanno trovato prove che un processo che aiuta il cervello del roditore a gestire il suo carico di informazioni durante la veglia funziona anche quando il topo dorme.
Il cervello, sia nei topi che nelle persone, impara rafforzando le connessioni sinaptiche tra i neuroni.
C’è un limite superiore a questo rafforzamento, quindi per evitare il raggiungimento del limite massimo, il cervello deve periodicamente adattarsi attraverso quello che viene chiamato ridimensionamento omeostatico.
Questo processo indebolisce uniformemente le sinapsi, liberando la capacità per un maggiore apprendimento.
Poiché è coerente in tutta la rete neurale, non vi è alcun cambiamento nella forza relativa delle connessioni e quindi nessun degrado della memoria.
Gli scienziati hanno scoperto che questo processo di ridimensionamento avviene anche quando i topi dormono. Durante il sonno, il cervello consolida la memoria e migliora la sua capacità di apprendere nuovamente quando il topo si sveglia.
Rispetto al cervello del topo sveglio, il cervello addormentato contiene il 250% in più della proteina Homer1a, che, secondo i ricercatori, determina quando il cervello è sufficientemente silenzioso per iniziare a ridurre la forza delle connessioni sinaptiche.
La privazione del sonno ostacola la capacità del cervello di formare nuovi ricordi
Studiando i topi, gli scienziati della Johns Hopkins hanno rafforzato le prove che uno scopo chiave del sonno è ricalibrare le cellule cerebrali responsabili dell’apprendimento e della memoria in modo che gli animali possano “consolidare” le lezioni apprese e usarle quando si svegliano: nel caso dei topi notturni, la sera successiva.
I ricercatori, tutti della Johns Hopkins University School of Medicine, riferiscono inoltre di aver scoperto diverse importanti molecole che governano il processo di ricalibrazione, nonché prove che la privazione del sonno , i disturbi del sonno e i sonniferi possono interferire con il processo.
“I nostri risultati promuovono concretamente l’idea che il topo e presumibilmente il cervello umano possono immagazzinare solo una certa quantità di informazioni prima di aver bisogno di ricalibrarsi”, afferma Graham Diering, Ph.D., il ricercatore post-dottorato che ha condotto lo studio.
“Senza il sonno e la ricalibrazione che avviene durante il sonno, i ricordi rischiano di andare perduti.”
Diering spiega che l’attuale comprensione scientifica dell’apprendimento suggerisce che l’informazione è “contenuta” nelle sinapsi, le connessioni tra i neuroni attraverso le quali comunicano.
Sul “lato mittente” di una sinapsi, le molecole di segnalazione chiamate neurotrasmettitori vengono rilasciate da una cellula cerebrale mentre “spara”; sul “lato ricevente”, quelle molecole vengono catturate dalle proteine recettrici , che trasmettono il “messaggio”. Se una cellula riceve abbastanza input attraverso le sue sinapsi, attiva i propri neurotrasmettitori.
Più specificamente, esperimenti sugli animali hanno dimostrato che le sinapsi sul neurone ricevente possono essere attivate aggiungendo o rimuovendo proteine recettrici, rafforzandole o indebolendole e consentendo al neurone ricevente di ricevere più o meno input dai neuroni di segnalazione vicini.
Gli scienziati ritengono che i ricordi siano codificati attraverso questi cambiamenti sinaptici. Ma c’è un intoppo in questo modo di pensare, dice Diering, perché mentre i topi e gli altri mammiferi sono svegli, le sinapsi in tutto il cervello tendono a rafforzarsi, non a indebolirsi, spingendo il sistema verso il suo carico massimo.
Quando i neuroni sono “al massimo” e costantemente attivi, perdono la capacità di trasmettere informazioni, ostacolando l’apprendimento e la memoria.
Una possibile ragione per cui i neuroni di solito non raggiungono il massimo è un processo che è stato ben studiato nei neuroni coltivati in laboratorio ma non negli animali vivi, addormentati o svegli.
Conosciuto come ridimensionamento omeostatico, è un processo che indebolisce uniformemente le sinapsi in una rete neurale di una piccola percentuale, lasciando intatta la loro forza relativa e consentendo la continuazione dell’apprendimento e della formazione della memoria.
Per scoprire se il processo avviene effettivamente nei mammiferi addormentati, Diering si è concentrato sulle aree del cervello dei topi responsabili dell’apprendimento e della memoria: l’ippocampo e la corteccia.
Ha purificato le proteine dalla ricezione delle sinapsi nei topi addormentati e svegli, cercando gli stessi cambiamenti osservati nelle cellule cresciute in laboratorio durante il ridimensionamento.
I risultati hanno mostrato un calo del 20% nei livelli delle proteine recettoriali nei topi addormentati, indicando un indebolimento generale delle loro sinapsi, rispetto ai topi svegli.
“Questa è stata la prima prova di un ridimensionamento omeostatico negli animali vivi”, afferma Richard Huganir, Ph.D., professore di neuroscienze, direttore del Dipartimento di Neuroscienze e autore principale dello studio. “Ciò suggerisce che le sinapsi vengono ristrutturate in tutto il cervello del topo ogni 12 ore circa, il che è davvero notevole.”
Per scoprire nello specifico quali molecole fossero responsabili del fenomeno, il team si è rivolto a una proteina chiamata Homer1a, scoperta nel 1997 da Paul Worley, MD, professore di neuroscienze, che faceva anche parte del team che conduceva il nuovo studio.
Gli studi hanno dimostrato che Homer1a, dal nome dell’antico autore greco e dell'”odissea” scientifica necessaria per identificarlo, è importante per la regolazione del sonno e della veglia e per il ridimensionamento omeostatico nei neuroni coltivati in laboratorio.
Ripetendo la sua precedente analisi delle proteine sinaptiche, Diering ha infatti trovato livelli molto più elevati di Homer1a – il 250% in più – nelle sinapsi dei topi dormienti rispetto ai topi svegli.
E nei topi geneticamente modificati privi di Homer1a, la precedente diminuzione delle proteine dei recettori sinaptici associati al sonno non era più presente.
Per capire come Homer1a percepisce quando i topi dormono o sono svegli, i ricercatori hanno esaminato il neurotrasmettitore noradrenalina, che spinge il cervello all’eccitazione e alla veglia. Bloccando o migliorando i livelli di noradrenalina, sia nei neuroni cresciuti in laboratorio che nei topi, i ricercatori hanno confermato che quando i livelli di noradrenalina erano alti, Homer1a rimaneva lontano dalle sinapsi; quando era basso, si raccoglieva lì.
Per verificare direttamente se la posizione di Homer1a fosse correlata al sonno, il team ha tenuto i topi svegli per quattro ore extra collocandoli in una gabbia sconosciuta. Alcuni poi hanno avuto due ore e mezza di “sonno di recupero”. Come previsto, i livelli di Homer1a nelle sinapsi riceventi erano molto più alti nei topi privati del sonno rispetto a quelli che hanno ricevuto il sonno di recupero. Ciò suggerisce, dice Diering, che Homer1a è sensibile al “bisogno di sonno” di un animale, non solo all’ora del giorno.
